7. Właściwości odbiorników fizycznych stosowanych w fotometrii (fotokomórki, ogniwa fotoelektryczne; fotopowielacze). http://www.if.pwr.wroc.pl/~wozniak/ Miejsce i termin konsultacji (zima 2013/2014): pokój 18/11 bud. A-1
Odbiorniki stosowane w fotometrii Zarówno w fotometrii jak i we wszystkich dziedzinach miernictwa dąży się do zastąpienia metod wzrokowych (subiektywnych) metodami fizycznymi (obiektywnymi). Zalety metod fizycznych to: - Zwiększenie czułości; - Zwiększenie dokładności; - Uproszczenie pomiarów; - Wyeliminowanie błędów uwarunkowanych indywidualnymi właściwościami oka; Podstawowe wymaganie dotyczące metod fizycznych: aby z pomiarów fizycznych otrzymywać takie same wyniki jak z pomiarów wykonanych w tych samych warunkach za pomocą oka jak odbiornika.
Odbiorniki stosowane w fotometrii Odbiorniki fizyczne dzielimy na: - fotoelektryczne; - cieplne. W zasadzie do pomiarów świetlnych można zastosować każdy odbiornik, który wykazuje dostateczną czułość w zakresie widzialnym. Najodpowiedniejsze do pomiarów świetlnych są: fotokomórki, ogniwa fotoelektryczne i fotopowielacze oraz w pewnym stopniu fotodiody. Odbiorników cieplnych (termoelementy i bolometry), fotorezystorów i fototranzystorów używa się do pomiarów świetlnych w ograniczonym zakresie.
Odbiorniki stosowane w fotometrii Fotokomórki Działanie fotokomórek oparte jest na zjawisku fotoelektrycznym zewnętrznym. Pod wpływem promieniowania padającego na światłoczułą katodę uwalniają z niej elektrony, jeśli energia kwantów światła jest większa niż tzw. praca wyjścia (W 0 ). Bilans energetyczny pochłaniania fotonu: 2 mv h W0 Ek W0 W0 2 eu 0
Fotokomórki Zależność prądu fotoelektrycznego od napięcia anodowego jest inna dla komórek próżniowych a inna dla gazowanych. Charakterystyka prądowonapięciowa fotokomórki próżniowej oraz proste oporów (umożliwiają wyznaczanie wahań napięcia na oporze zewnętrznym w zależności od wahań strumienia świetlnego). Pojęcie napięcia nasycenia
Fotokomórki Zależność prądu fotoelektrycznego od napięcia anodowego jest inna dla komórek próżniowych a inna dla gazowanych. Charakterystyka prądowonapięciowa fotokomórki gazowanej oraz proste oporów. Brak napięcia nasycenia zderzenie emitowanych elektronów z jonami gazu wytwarza dodatkowe ładunki.
Fotokomórki W fotokomórkach próżniowych prąd elektryczny przy stałym natężeniu napromienienia rośnie od napięcia nasycenia tylko nieznacznie. Wartość napięcia nasycenia zależy m.in. od kształtu i układu elektrod i wynosi na ogół 20 do 30V (choć bywają i niższe). W fotokomórkach gazowanych przez zderzanie elektronów emitowanych z atomami gazu wytwarzają się dodatkowe nośniki ładunków drogą jonizacji zderzeniowej nie ma stanu nasycenia, prąd fotoelektryczny ciągle rośnie aż występuje wyładowanie świecące. Wzmocnienie prądu jest zależne m.in. od napięcia i ciśnienia gazu i wynosi 5 do 10 razy. W pomiarach fotometrycznych komórki gazowane są lepsze od próżniowych przy ich użyciu osiąga się łatwiej wymaganą stałość.
Fotokomórki Czułość widmowa Zależnie od materiału, z którego wykonana jest katoda, fotokomórki mają różną czułość widmową. Fotokomórki z czysto metalicznymi katodami są mało przydatne z powodu wielu wad.
Fotokomórki Czułość widmowa Obecnie stosuje się na ogół fotokomórki z katodami wykonanymi z materiałów wieloskładnikowych. Mają one większą czułość niż metaliczne. Budowa katod wieloskładnikowych: a) Podłoże przewodzące (niekoniecznie); b) Półprzewodząca warstwa pośrednia (metal alkaliczny i jeszcze coś); c) Bardzo cienka warstwa adsorpcyjna z metalu alkalicznego, obniżająca prace wyjścia. Z grupy katod wieloskładnikowych najważniejsze są: katody z tlenku metalu alkalicznego oraz katody stopowe.
Fotokomórki Czułość widmowa Katody z tlenku metalu alkalicznego oznacza się według de Boera w następujący sposób: Symbol metalu podłoża stawia się w nawiasach prostokątnych a symbol warstwy pośredniej oddziela się myślnikiem od warstwy nośnej i adsorpcyjnej. Przykład: podłoże ze srebra, warstwa pośrednia ze stopu tlenku cezu z cezem i warstwa adsorpcyjna z cezu: [Ag] Cs 2 O,Cs Cs. Inna często używana symbolika (np. Ag-O- Cs) służy do oznaczania typu katody, nie mówi jednak nic o jej warstwowej budowie. Czułość widmowa fotokomórek z katodami z tlenku alkalicznego
Fotokomórki Czułość widmowa Katody stopowe: np. antymonowocezowa ([Ag] Sb,Cs Cs) wynaleziona w 1935r. przez Görlicha jest najczulszą fotokatodą dla widzialnego zakresu widma. Granica czułości widmowej sięga 700 nm a maksimum czułości jest ok. 400 nm. Fotokomórka bizmutowo-cezowa ([Ag] Bi,Cs Cs) ma większy zakres czułości, ale jej czułość całkowita jest mniejsza niż antymonowo-cezowej. Czułość widmowa fotokomórek z katodami stopowymi
Fotokomórki Czułość widmowa Katody dwuwarstwowe to kombinacja katod: stopowej i tlenkowoalkalicznej. Można np. nałożyć na katodę z tlenku cezu przejrzystą katodę stopową lub przednią (zwróconą do światła) stronę bańki szklanej pokryć przezroczystą katodą stopową a jej tylną stronę warstwą tlenku cezu. Czułość widmowa takiego układu może być w przybliżeniu utrzymana jako wartość stała w dużym zakresie widma. Czułość widmowa dwóch fotokomórek z katodami dwuwarstwowymi (1 i 2) oraz z katodą z tlenku cezu (3).
Fotokomórki Czułość całkowita Dane dotyczące całkowitej czułości odbiorników fotoelektrycznych są oczywiście tylko wtedy jednoznaczne, gdy znamy widmowy rozkład promieniowania zastosowanego światła. Czułość podaje się w A/lm lub A/W dla określonej temperatury rozkładu w tabeli podano wartości dla T=2700K (2360K dla Sb-Li).
Fotokomórki Proporcjonalność W zewnętrznym zjawisku fotoelektrycznym pierwotny prąd fotoelektryczny jest proporcjonalny do strumienia energetycznego padającego na fotokomórkę lub odpowiedniego natężenia napromieniowania. Jest to ścisłe dla światła monochromatycznego. Warunki, jakie muszą spełniać fotokomórki, aby można było przyjąć proporcjonalność również dla światła polichromatycznego: - dobra próżnia wewnątrz banki szklanej; - równomierne pole elektryczne wewnątrz; - dobre przewodzenie całej powierzchni katody; - prądy upływu nie powinny występować na powierzchni banki.
Fotokomórki Stałość miejscowa i czasowa Czułość fotokomórki nie jest jednakowa we wszystkich miejscach fotokatody jest to spowodowane głownie tym, że w procesie produkcyjnym katoda jest nierównomiernie pokrywana materiałem światłoczułym. Również czułość widmowa może być różna dla różnych punktów, jednak nie ma to dużego znaczenia dla czułości całkowitej. W przypadku zmian w czasie czułości odbiorników fotoelektrycznych wyróżnia się zjawisko starzenia (zmiana nieodwracalna) i zmęczenia (zmiana odwracalna). Starzenie jest wywołane wpływem ładunku gazowego na emisje katody czyli przez adsorpcje atomów gazu stąd katody czysto metalowe, próżniowe, nie podlegają normalnie starzeniu, chyba ze spowodowane jest to dyfuzją gazu z zewnątrz. Starzenie przebiegające w ciągu lat ma w fotometrii podrzędne znaczenie, ponieważ zmiany następują bardzo powoli. Inaczej jest przy zmęczeniu ma ono bezpośrednio związek z występującymi przy pomiarach zjawiskami emisji i nie powoduje zmian struktury fotokatody.
Fotokomórki Zależność od temperatury Współczynnikiem temperaturowym czułości s elementu fotoelektrycznego nazywamy iloraz względnej zmiany s/s i zmiany temperatury t przy stałych warunkach pracy. Dla fotokomórek z katodami wieloskładnikowymi górna dopuszczalna temperatura pracy wynosi ok. +50 C. Katody stopowe i z tlenku cezu można uważać za praktycznie niezależne od temperatury w przedziale od -40 C do +50 C. Temperatura większa od +50 C powoduje nieodwracalne zmiany warstw katod wieloskładnikowych lub nawet ich zniszczenie. Zmiany temperatury wpływają nie tylko na zmiany całkowitej czułości, ale również na czułość widmową.
Fotokomórki Zależność od częstotliwości Zależność od częstotliwości F jest to właściwość odbiorników, powodująca zmianę czułości w zależności od częstotliwości modulującej promieniowanie mierzone. Jako miara spadku czułości służy albo stosunek logarytmiczny (miara tłumienia wyrażona w db): s F 100 1 1 s2 F 20log albo stosunek liczbowy (w %): 2 przy czym s 1 to czułość częstotliwości odniesienia f 1 (przy napromienieniu światłem modulowanym sinusoidalnie lub prostokątnie o stałej amplitudzie i stałym udziale światła stałego). s s 1 Charakterystyka częstotliwościowa fotokomórek gazowanych
Odbiorniki stosowane w fotometrii Ogniwa fotoelektryczne Fotoogniwa przyjęły się szeroko w fotometrii dzięki prostocie ich obsługi. Składają się z podłoża najczęściej metalicznego o grubości ok. 1 mm na które naniesiono warstwę półprzewodzącą (np. selen) o grubości nie większej niż 100 m. Na niej znajduje się bardzo cienka warstwa pośrednia (warstwa zaporowa o grubości kilku m) i elektroda przykrywająca, wykonana z metalu lub półprzewodnika.
Ogniwa fotoelektryczne Elektroda przykrywająca musi dobrze przepuszczać światło i równocześnie musi mieć dobra przewodność elektryczną. Na nią natryskuje się zwykle lakier dla zabezpieczenia powierzchni bądź chronione są one płytką kwarcową (kiedy?). Najczęściej używane są ogniwa fotoelektryczne z warstwami selenowymi, kwarcowymi lub germanowymi. Działanie fotoogniwa oparte jest na zjawisku fotoelektrycznym wewnętrznym oraz istnieniu pola elektrycznego w strefie granicznej warstw półprzewodnika. Między elektroda przykrywającą a podłożem powstaje siła fotoelektryczna, przy czym podłoże ma potencjał dodatni a elektroda przykrywająca ujemny. Jeśli podłoże i elektroda są ze sobą połączone, to w obwodzie wewnętrznym płynie prąd, którego natężenie zależne jest od oporu w obwodzie prądowym i od natężenia oświetlenia.
Ogniwa fotoelektryczne Czułość widmowa Krzywa czułości fotoogniwa selenowego ma wprawdzie pewne podobieństwo do krzywej czułości oka V( ), ale różnice są wciąż za duże. Tym niemniej, czułość ta obejmuje cały zakres widzialny tak, ze dzięki zastosowaniu filtrów można osiągnąć dopasowanie do krzywej V( ). Czułość widmowa fotoogniw selenowych, krzemowych i germanowych.
Ogniwa fotoelektryczne Czułość widmowa Przez odpowiednie przygotowanie np. przez dodanie do selenu obcych składników, można wydatnie wpłynąć na czułość widmową fotoogniwa selenowego. Takim składnikiem może być np. kadm w pobliżu 710 nm takie ogniwo ma drugie maksimum. Podobnie dzięki siarczkowi ołowiu można znacznie zwiększyć czułość przy dużych długościach fal. Czułość widmowa fotoogniwa kadmowanego
Ogniwa fotoelektryczne Czułość całkowita Również i dla fotoogniw czułość całkowita wyraża się w A/lm lub A/W. Wartości te zależą od widmowego rozkładu mierzonego promieniowania i zwykle podawane są w odniesieniu do zwykłego iluminantu A. Ponieważ fotoogniwa nie wykazują działania proporcjonalnego, a ich prąd zależy m.in. od oporu zewnętrznego, to całkowitą czułość wyznacza się przy znanym natężeniu oświetlenia i oporze zewnętrznym. Przybliżone czułości różnych fotoogniw
Ogniwa fotoelektryczne Proporcjonalność Napięcie jałowe (co to?) fotoogniwa selenowego zależy od natężenia oświetlenia nieliniowo, dla małych natężeń oświetlenia jest to zależność logarytmiczna.
Ogniwa fotoelektryczne Proporcjonalność Prąd zwarcia, którego wartość jest w przybliżeniu proporcjonalna do powierzchni fotoogniwa przy niezbyt dużych natężeniach oświetlenia ma przebieg prawie liniowy. Jednak z powodu oporu wewnętrznego nigdy nie osiąga się ścisłej proporcjonalności. Różne są też odchylenia od liniowości dla różnych długości fal, stąd czułość widmowa też zależy od natężenia oświetlenia.
Ogniwa fotoelektryczne Proporcjonalność Zależność prądu fotoelektrycznego od natężenia oświetlenia przy różnych oporach zewnętrznych: Pomiar prądu fotoelektrycznego jest bardziej niezawodny niż pomiar napięcia jałowego, a ze względu na dobrą proporcjonalność stosuje się przy tym możliwie małe opory wewnętrzne i małe natężenia oświetlenia nie powinno ono przekraczać 1000 lx.
Ogniwa fotoelektryczne Zależność od kosinusa Jeżeli fotoelement ustawia się pod różnymi kątami względem kierunku padania światła, to prądy fotoelektryczne zmniejszają się ze wzrostem kąta bardziej, niż odpowiadające im wartości kosinusa. Przy ukośnym padaniu światła otrzymuje się więc zaniżone wyniki. Dzieje się tak z powodu: - Cieni od oprawki; - Strat odbicia od powierzchni fotoogniwa. Zależność procentowego odchylenia prądów fotoelektrycznych od odpowiednich wartości kosinusa w zależności od różnych kątów padania światła: (1) bez filtru; (2) z filtrem osłabiającym.
Ogniwa fotoelektryczne Stałość miejscowa i czasowa Fotoogniwa, podobnie jak fotokomórki, nie maja równomiernej czułości na całej powierzchni światłoczułej. Różnice pomiędzy poszczególnymi punktami nawet dla dobrego fotoogniwa mogą wynosić do 20%. Fotokomórki maja większą stałość w czasie niż fotoogniwa. Proces starzenia, który polega na chemicznej zmianie warstwy półprzewodzącej, przebiega na tyle wolno, że fotoogniwa można w większych okresach czasu uważać za stałe. Zmiany odwracalne mogą być wywołane różnymi przyczynami; są one zależne od natężenia oświetlenia, temperatury, zewnętrznego oporu i widmowego rozkładu mierzonego światła. Zmęczenie może trwać kilka godzin, jeszcze wolniej następuje regeneracja. Na ogół fotoogniwa osiągają swój początkowy stan po 24h.
Ogniwa fotoelektryczne Stałość miejscowa i czasowa Zmiana w czasie prądu fotoelektrycznego ogniwa selenowego wskutek zmęczenia przy różnych natężeniach oświetlenia:
Ogniwa fotoelektryczne Stałość miejscowa i czasowa Zmiana w czasie prądu fotoelektrycznego ogniwa selenowego wskutek zmęczenia przy różnych temperaturach: I=1000 lx R=1
Ogniwa fotoelektryczne Stałość miejscowa i czasowa Zmiana w czasie prądu fotoelektrycznego ogniwa selenowego wskutek zmęczenia przy różnych oporach zewnętrznych: I=1000 lx T=20 C
Ogniwa fotoelektryczne Stałość miejscowa i czasowa Zmiana w czasie prądu fotoelektrycznego ogniwa selenowego wskutek zmęczenia przy różnych widmowych rozkładach promieniowania padającego: achromatyczne, niebieskie, czerwone: I=1000 lx T=30 C R=1
Ogniwa fotoelektryczne Zależność od temperatury Zależność temperaturowa prądu fotoelektrycznego ogniwa selenowego od temperatury przy różnych natężeniach naświetlenia: R=1
Ogniwa fotoelektryczne Zależność od temperatury Zależność temperaturowa prądu fotoelektrycznego ogniwa selenowego od temperatury przy różnych oporach zewnętrznych: I=1000 lx
Ogniwa fotoelektryczne Zależność od częstotliwości Fotoogniwa mają większą bezwładność niż fotokomórki. W przypadku pomiaru światła przerywanego, już przy częstotliwości 1 khz może wystąpić spadek prądu fotoelektrycznego od 15 do 25%. Zależność czułości fotoogniwa selenowego od częstotliwości: S= 5 mm 2
Odbiorniki stosowane w fotometrii Fotopowielacze W fotopowielaczach wykorzystano zjawisko wtórnej emisji elektronów elektrony padające na metalową płytkę wyzwalają dodatkową emisję elektronów, zależnie od ich prędkości, kata padania i stanu powierzchni. Fotopowielacze są to lampy elektronowe, których najważniejszymi częściami są: fotokatoda, układ powielania (dynody) i anoda. Katoda jest naniesiona na podłoże metaliczne lub na wewnętrzną stronę okna wejściowego. Poszczególne dynody otrzymują potencjał stopniowo wzrastający względem katody. Elektrony pierwotnie wyzwalane z fotokatody przy napromienieniu zostają przyspieszone przez różnice napięć w kierunku pierwszej dynody i tam wyzwalają elektrony wtórne. Te elektrony są skierowane przez pole ogniskujące do drugiej dynody itd. Można w ten sposób uzyskać znaczne wzmocnienie prądu (przykład: przy 11 stopniowym układzie dynod wzmocnienie jest rzędu 10 6-10 8 ). Dynody mogą być różnie umieszczone; zależnie od budowy odróżnia się układy: pudełkowy, płytkowy, żaluzjowy i siatkowy. Jako materiał na dynody stosuje się stopy berylu i magnezu jak i warstwy typu [Ag]-Cs 2 O lub [SbCs 3 ]-Cs.
Fotopowielacze Czułość widmowa Widmowa czułość powielaczy (podobnie jak fotokomórek) jest niezależna od materiału fotokatody. W pomiarach świetlnych stosuje się przeważnie katody z warstwami tlenku cezu i antymonowo-cezowe. Czułość całkowita Dla scharakteryzowania czułości całkowitej fotopowielaczy używane są następujące pojęcia: 1) Czułość (czułość anodowa) s podawana w A/lm (przy iluminancie A) lub A/W (dla zadanej długości fali) przy określonym napięciu pracy powielaczy; 2) Czułość katodowa s k podawana w A/lm (przy zadanym strumieniu świetlnym iluminantu A) lub A/W (dla zadanej długości fali) przy określonym napięciu przyłożonym między katodę a wszystkie pozostałe elektrody połączone razem; 3) Zwielokrotnienie V jest to iloraz prądu fotoelektrycznego (prąd wychodzący z anody) i prądu fotokatody (prąd wychodzący z katody przy napromienieniu) dla określonego rozkładu napięcia na dynodach.
Fotopowielacze Prąd ciemny Prąd ciemny to prąd płynący przez obwód anodowy bez napromienienia katody. Odgrywa on dużą rolę w pomiarze małych strumieni świetlnych. Wynika on z: - Termicznego prądu emisji katody; - Termicznego prądu emisji dynod; - Prądu upływu przez izolację między elektrodami; - Prądu emisji wywołanego polem elektrycznym między katoda i dynodami; - Prądu jonowego resztek gazu. Właściwa konstrukcja fotopowielacza może ograniczyć te wpływy dolna granica czułości ograniczona jest pierwszym czynnikiem. Termiczny prąd emisji katody można zmniejszyć przez zmniejszenie powierzchni katody oraz wybór katody o ograniczonej czułości widmowej. Prąd ciemny jest w większości przypadków mały, zwykle wynosi ułamki A.
Fotopowielacze Proporcjonalność Warunki zachowania proporcjonalności fotopowielacza są podobne do warunków proporcjonalności fotokomórek. Odchyłki od liniowości mogą być spowodowane zarówno przez zbyt małe napięcie wstępne anody i ostatnich stopni powielacza jak i przez zmęczenie warstw emisji wtórnej. Dane literaturowe potwierdzają spore odstępstwa od proporcjonalności fotopowielaczy, zwłaszcza pracujących pod dużym obciążeniem podobno zadowalającą liniowość uzyskuje się dla poborów prądu rzędu 1 A.
Fotopowielacze Zależność od prawa kosinusa Znowu podobnie, jak dla fotokomórek. Przed katodą wstawia się płytkę, rozpraszającą światło. Zależność od temperatury I znowu podobnie, jak dla fotokomórek! Emisja wtórna dynod zależy bowiem mało od temperatury. Fotopowielacze mogą więc być uważane za niezależne od temperatury w szerokim zakresie temperatur (od -40 C do +50 C). Zależność od częstotliwości Analogicznie Zależność parametrów fotopowielacza od częstotliwości jest praktycznie porównywalna z zależnością fotokomórki próżniowej. Spadek czułości jest widoczny dopiero powyżej 5 MHz, przy czym, granica ta wynika z czasów przebiegu elektronu (przez dynody).
Fotopowielacze Stałość miejscowa i czasowa Zależność czułości od miejsca na fotokatodzie fotopowielacza jest podobna jak w przypadku fotokomórki. Jest gorzej, bo może się zdarzyć, że elektrony emitowane z różnych elementów powierzchni katody przechodzą do miejsc o różnej emisji wtórnej kolejnych dynod. Stałość powielaczy w czasie zależy nie tylko od własności katody ale i od dynod. Zmęczenie katody obserwuje się dla prądu o gęstości rzędu 1 A/cm 2. Zwykle jednak gęstości prądu dla powielaczy są mniejsze. Zmęczenie dynod zależy natomiast również od gęstości prądu ale też od napięcia pracy powielaczy (a praktycznie niezależne od temperatury). Duży wpływ na zmęczenie ma historia pracy w szczególności jest ono bardziej zauważalne dla długo trwającej ciemności. Aby móc szybciej osiągnąć stan stabilny, zaleca się obciążanie powielacza przed pomiarem odpowiednim natężeniem oświetlenia.