3. Неизбирательные приемники оптического излучения (термопары, термостолбики, болометры и др.)

Неизбирательные приемники оптического излучения имеют преимущество перед избирательными в том отношении, что их спектральная чувствительность имеет полную определенность и ее можно даже не проверять (у термопар). Приемники, неизбирательные для световой энергии, могут быть избирательными в соседних областях спектра. Неизбирательность тепловых приемников достигается за счет покрытия их воспринимающей поверхности чернью: (платиновая, цинковая…), копотью камфары или скипидара.

Термопара – спай двух металлов с различными физическими свойствами (константан-медь), один спай – активный, второй – компенсационный (холодный) обычно помещают в воду со льдом.

А ктивный спай облучается исследуемым потоком, возникает разность температур, что приводит к созданию ЭДС, если замкнуть на электроизмерительный прибор, то будет протекать термоток. Для повышения чувствительности на активный спай припаивают никелевые пластины.

Термостолбики – совокупность термопар, соединенных последовательно. Результирующая термоЭДС складывается из каждой. Термостолбик Хильгера имеет 10 спаек (висмут-серебро), его чувствительность 0,5 В/Вт, константан-магнанин – 0,3 В/Вт.

Металлические болометры представляют полоску металла (чаще платины), нанесенного распылением в вакууме на стекло, кварц или целлюлозу. Для достижения неизбирательности сверху болометр покрывается чернью, как и термопары. Размеры полоски: длина 1 – 10 мм, ширина 0,5 – 2 мм, сопротивление 10 – 100 Ом, толщина слоя равна 1 микрон.

Полупроводниковые болометры делаются из разных окисных полупроводников: смесь окислов Mn и Ni, СО. Путем сжатия и обжига или спекания получают полоски на керамической подложке, иногда на кварце. Применяются болометры сурьмяные и германиевые. Чернение золотом. Полупроводниковые болометры имеют сопротивление 1 МОм.

Другие виды болометров – термисторы – многоомные сопротивления из полупроводников, например, из смесей окислов некоторых металлов: СО, Ni, Fe, Mn, Zn, Mg и др.

4. Избирательные приемники оптического излучения (фотоэлементы с внутренним фотоэффектом, вакуумные фотоэлементы, фэу и др.)

Действие света одной мощности, но разных длин волн видимого спектра на приемник оказывает различное воздействие. Такие приемники называются избирательными. Наиболее удобными оказались приемники, в которых под действием излучения возникают те или иные электрические явления или происходит изменение электрических свойств.

1. Фотоэлементы с запирающим слоем (внутренний фотоэффект), например селеновые, купруксные, в которых под влиянием излучения возникает ЭДС и ток течет во внешней цепи.

2. Висмуто-цезиевые, сурьмяно-цезиевые, кислородно-цезиевые фотоэлементы с внешним фотоэффектом, в которых под действием света идет ток, если приложены внешние ЭДС. Они могут быть вакуумные и газополными, если давление в них 0,01 мм ртутного столба.

3. Фотоэлементы с внешним фотоэффектом, в которых ток одновременно усиливается вследствие вторичной электронной эмиссии. Эти приборы называются фотоумножителями (ФЭУ).

4. Фотоэлемены с внутренним фотоэффектом, иначе фотосопротивления (из селена, сернистого таллия).

5. К избирательным физическим приемникам относятся фотографический слой.

6. Кремниевые фотодиоды.

Фотоэлементы с запирающим слоем – селеновые имеют простое устройство. На железную пластинку напыляется слой селена (0,08-0,1 мм) темно-серая окраска. Поверх слоя селена путем распыления в вакууме наносится тонкий прозрачный слой (d=4 мм, τ=0,33) золота, платины или никеля, который служит электродом. На внешнем крае последнего помещается токособирающее кольцо (Al). Для защиты от воздействия влаги поверхность фотоэлемента покрывается прозрачным лаком. Все вставляется в оправу.

Спектральная чувствительность селенового фотоэлемента близка к спектральной эффективности излучения для глаза человека, ее легко можно корригировать.

%

Чтобы производить измерения необходимо, чтобы зависимость фототока от освещенности была прямопропорциональной. Если внешнее сопротивление цепи фотоэлемента очень мало, например, – 0÷10 Ом, то сила тока i во внешней цепи у короткозамкнутого фотоэлемента, оказывается прямопропорциональной (k) освещенности, но лишь в некоторых пределах ее:

П оэтому надо использовать при измерениях электроизмерительные приборы с малым внутренним сопротивлением или использовать специальные схемы включения.

Интегральная чувствительность селеновых фотоэлементов лежит в пределах 300-600 мкА/лм, ЭДС при освещенности 200 лк составляет 0,28-0,30 В.

Недостатки селеновых фотоэлементов: утомление, старение, запаздывание.

Утомлением называется изменение свойств, например, уменьшение чувствительности под влиянием предшествующего освещения, которое восстанавливается после отдыха в темноте.

Старение – это необратимое изменение чувствительности после изготовления примерно в течении трех месяцев.

Запаздывание (иначе – инерция), фотоэлемента сказывается в том, что при мгновенной подаче света ток устанавливается не мгновенно, а нарастает в течении 5-10 сек.

Перед началом работы фотоэлемент надо прогревать 20-30 минут.

Фотоэлементы с внешним фотоэффектом по конструкции состоят из стеклянного баллона шаровой или цилиндрической формы, внутри имеет катод и анод. Анод чаще делается из проволоки в виде стерженька, круга, рамки, сетки или цилиндра. Катод наносится на стенку сосуда или прямо на стекло или на металлическую подложку (слой) предварительно нанесенную на стекло. Часть сосуда остается открытой и является окном, сквозь которое в фотоэлемент пропускается свет на катод. Анод и катод имеют токопроизводящие выводы к зажимам снаружи сосуда. Фотоэлементы бывают пустотные (вакуумные) и газополные (инертные газы). Рабочее напряжение прикладывается от 6-220 В. Светочувствительный слой делается сурьмяно-цезиевый (СЦ), кислородно-цезиевый (КЦ) или висмуто-цезиевый (ВЦ).

S(λ)

%

С

%

%

%

пектральная чувствительность S (λ) не зависит от того, является фотоэлемент вакуумным или газополным. Но общая чувствительность их при наполнении разряженным газом повышается в 5-6 раз.

В

i , μА

пустотном фотоэлементе при некотором неизменном освещении ток с увеличением напряжения растет, пока не достигнет тока насыщения. Рабочее напряжение берется таким, чтобы ток достигал своего насыщения.

В газополных фотоэлементах при некоторой постоянной освещенности ток увеличивается с ростом напряжения и если оно достигнет предельного значения (потенциал зажигания), то возникает тлеющий разряд независимо уже от освещения. Поэтому для ограничения тока в цепи фотоэлемента включается сопротивление около 1 мОм. Напряжение надо держать неизменным.

i, μА

Чувствительность фотоэлементов по мере их возраста уменьшается, особенно в первые недели после изготовления – происходит старение. Также им свойственно утомление, т.е. уменьшение чувствительности при работе, которая за тем восстанавливается.

ФЭУ. В них ток усиливается путем применения вторичных катодов, размещенных в том же стеклянном сосуде, что и фотокатод.

На внутренней стенке цилиндрической пустотной трубки нанесены наклонные кольца (медно-серно-цезиевые), являющиеся вторичными катодами, их всего 13. Освещаемый катод – СЦ, но может быть и КЦ. На каждое кольцо подается все возрастающее напряжение равное 1000 В. Трубка помещается между полюсами постоянного магнита или электромагнита. Наличие магнитного поля в дополнение к электрическому, которое можно менять по величине, дает возможность направлять электроны, вырываемые из одного кольца, на соседнее. Общая чувствительность до 10 А/лм.

Отношение числа выбитых из катода электронов к числу упавших на катод электронов называется коэффициентом вторичной электронной эмиссии.

- коэффициент вторичной эмиссии.

Эмиттеры изготавливают из сплавов, чтобы уменьшить напряжение выхода электронов. Для различных материалов эмиттеров  имеет значение от 1,27 до 6,8. В современных ФЭУ имеется 10-13 эмиттеров, а в некоторых до 15.

Форма динодов и их расположение подбираются таким образом, чтобы как можно больше выбитых электронов с предыдущих эмиттеров достигло его поверхности.

Чувствительность ФЭУ характеризуется коэффициентом сбора .  - отношение числа электронов, достигших последующего электрода к числу электронов, выбитых из предыдущего. =0,70,95.

Коэффициент усиления ФЭУ складывается из коэффициентов ,  и числа эмиттеров.

n = 1013; k = 107108;

ФЭУ характеризуется интегральной (или анодной) чувствительностью, т.е. величиной фототока, создаваемой в цепи при попадании на катод светового потока в 1 лм.

.

Также ФЭУ характеризуются порогом чувствительности – минимальным световым потоком, регистрируемым ФЭУ.

ФЭУ дает возможность обнаружить очень слабые кратковременные световые сигналы с временем вспышки, меньшим 1 нс.