Первичные преобразователи. Сокращенный курс

крывающего проводящую медную пластинку. Под действием света свободные электроны из закиси меди проходят сквозь запирающий слой в медь; при этом медь заряжается отрицательно.

Поверхность полупроводника, в свою очередь, покрывается тонким прозрачным слоем серебра, образующим противоэлектрод

(рис.5.2.1).

Таким образом, при освещении между проводящей пластинкой и противоэлектродом создается разность потенциалов, и при замыкании электродов с проводником в цепи возникает ток — происходит преобразование световой энергии в электрическую.

Рис.5.2.1. Медно-закисный фотоэлемент

1 - медная пластина; 2 - запирающий слой; 3 - слой закиси меди; 4 - металлическая пленка противоэлектрода; 5 - токосъемное кольцо; Ф - световой поток

Вселеновых фотоэлементах слой селена наносят на железную пластинку, а на его поверхность— тонкий слой золота, который покрывают сверху лаком. Это предохраняет слой от действия влаги.

Всерно-таллиевых фотоэлементах запирающий слой образуется между полупроводником и верхним полупрозрачным слоем металла.

Чувствительность фотоэлемента можно определить как отношение изменения тока ∆I к вызвавшему его изменению светового потока ∆Ф, т. е.

	S =	I	мка/лм.	(5.2.1)
		ΔΦ

Чувствительность медно-закисного фотоэлемента составляет примерно 100 мка/лм, селенового фотоэлемента до 500 мка/лм, сер- но-таллиевого фотоэлемента до 600 мка/лм. Путем обработки таллия

90

можно получить фотоэлемент, имеющий обратную полярность и чувствительность до 6000 мка/лм. У серносеребряных фотоэлементов чувствительность достигает 5000 мка/лм. При такой чувствительности фотоэлементов с запирающим слоем возможно их использование без последующего усиления.

Основным недостатком этих фотоэлементов является заметная инерционность, ограничивающая верхний предел частотного диапазона десятками герц.

Рис.5.2.2. Принципиальная схема фотоэлектрического датчика угловых

ускорений

На рис.5.2.2 приведена принципиальная схема фотоэлектрического датчика угловых ускорений. Смещение свободно сидящего на оси маховика 1 и дисков 2 и 3 с прорезями 4, вызванное ускорением, приводит к изменению средней освещенности фотоэлемента 5. Фотоэлемент освещается лампочкой 6 при совпадении прорезей в дисках. Вал 8 вращается с угловой скоростью ω. Угол закручивания вала обозначен через φ. Маховик 1 связан с валом 8 через жесткую винтовую пружину 7.

В измерительных схемах получили значительное распространение фотоэлементы с внешним и внутренним фотоэффектом[2].

5.3. Фотоэлектрические датчики с внешним фотоэффектом

Эти датчики согласно нашей классификации относятся к датчикам омического сопротивления.

91

Внешний фотоэлектрический эффект можно описать уравнением Энштейна:

	hυ =	meVe	2	+ A ,	(5.3.1)
	2
где h –	постоянная Планка, равная 6,625×10-34 Дж×с;
u -	частота оптического излучения;
Me, Ve – масса и скорость электрона;
А –	работа выхода.
Фотоэффект проявляется если hυ ³ A .
Фотоэлектрические датчики или фотоэлементы с внешним
фотоэффектом состоят из фотокатода К (рис.5.3.1, а),					излучаю-

щего электроны под действием света, и анода А, собирающего эти электроны.

Рис.5.3.1. Включение фотоэлемента с внешним фотоэффектом

Катод и анод фотоэлемента помещаются обычно в стеклянной колбе. Фотокатодом служит щелочно-земельный металл, наносимый обычно на серебряную подложку, осажденную непосредственно на стеклянной колбе с внутренней стороны (рис.5.3.1, а) или на специальной пластинке К (рис.5.3.1, б); анодом служит металлическое

92

кольцо или сетка, имеющие форму, обеспечивающую попадание света на катод.

Для измерения фототока, возникающего в цепи фотоэлемента при освещении его источником света С, фотоэлемент последовательно с гальванометром Г и сопротивлением R присоединяется к источнику питания Б.

По характеру наполнения колбы различают вакуумные фото- элементы, из которых воздух откачан до давления примерно 10-7 мм рт. ст., и газонаполненные (аргоном или неоном) с давлением в несколько сотых долей миллиметра ртутного столба. Усиление фототока в газонаполненном фотоэлементе происходит вследствие ионизации газа, возникающей в фотоэлементе при излучении электронов его катодом. С увеличением разности потенциалов между электродами фотоэлемента процессы ионизации нарастают, и коэффициент усиления фототока увеличивается. Газонаполненные фотоэлементы, обладая большей чувствительностью, чем вакуумные, менее стабильны и более инерционны. Фототок в газонаполненных фотоэлементах в 10 раз больше, чем в вакуумных. Световая характеристика газонаполненных фотоэлементов несколько криволинейна, в то время как у вакуумных она линейна. К числу недостатков фотоэлементов с внешним фотоэффектом следует отнести их «утомляемость», выражающуюся в том, что при непрерывном освещении фотоэффект начинает снижаться, хотя после отключения фотоэлемента, через некоторый промежуток времени, эффект почти полностью восстанавливается.

Фотоэлементы с цезиевым катодом выполняются обычно газонаполненными, а с сурьмяно-цезиевым катодом — вакуумными. Их обозначения такие: ЦГ-3, СЦВ-4 и т. д. Первые буквы обозначают материал катода (Ц— цезиевый, СЦ— сурьмяно-цезиевый), а вторые или третьи буквы — тип фотоэлемента (Г — газонаполненный, В — вакуумный). Цифры определяют марку фотоэлемента (его конструктивное выполнение, габариты).

Основными достоинствами фотоэлементов с внешним фотоэффектом являются их высокая чувствительность и безынерционность реакции; поэтому очень часто эти фотоэлементы применяются для исследования быстропеременных процессов. На рис.(5.3.2.) по-

93

казано несколько способов получения сигнала в фотоэлектрических датчиках.

Рис.5.3.2. Способы получения сигнала в фотоэлектрических датчиках:

1 - пружина; 2 - инерционный грузик; 3 - источник света; 4 - щель; 5 - зеркало или призма; Ф,Ф1 и Ф2 - фотоэлементы; Р1 - неподвижная решетка; Р2 - по-

движная решетка

На рис.(5.3.2, а) интенсивность луча меняется за счет изменения действующей поверхности зеркала. В конструкции, приведенной на рис.(5.3.2, б,) объект является своего рода подвижной ширмой, и поэтому не требуется введения никаких дополнительных элементов. На рис.(5.3.2,) в изображена дифференциальная схема фотоэлектрического датчика с подвижной призмой. Здесь два фотоэлемента включены в мостиковую схему. На рис.(5.3.2, г) изображена схема фотоэлектрического датчика с заслонкой типа сдвоенной

94

решетки. Такой датчик позволяет получить высокую чувствительность к малым перемещениям.

Характерной особенностью фотоэлектрических датчиков является то, что вибрирующий элемент не связывается механически с какими-либо деталями и, следовательно, трение исключается.

Этот бесконтактный метод измерения может быть с успехом применен при исследовании вибрации небольших и легких объектов, к которым, например, потенциометрические датчики не могут быть прикреплены без нарушения нормальной работы объекта.

5.4. Фотоэлектрические умножители (ФЭУ)

Вторым путем умножения электронов является использование вторичной электронной эмиссии. Такие приборы носят название фотоэлектронных умножителей (ФЭУ). Схема устройства ФЭУ показана на рис.(5.4.1.)

Рис. 5.4.1. Фотоумножитель

1 - фотокатод; 2 - анод; 3 - диноды

Электрон, вылетевший из фотокатода под действием света, ускоряется напряжением Е1 и направляется на первый динод. Попав на него, электрон за счет вторичной электронной эмиссии выбивает несколько новых. Вторичные электроны, ускорившись, попадают на

95

второй динод и также выбивают из него электроны. Число электронов нарастает лавинообразно до тех пор, пока они после последнего динода не попадут на анод. Усиление фототока зависит от числа динодов и их коэффициента вторичной эмиссии. Число динодов (каскадов усиления) в ФЭУ может достигать 10 и более. При коэффициенте вторичной эмиссии, равном 4, это соответствует увеличению фототока в 106 раз.

Постоянная времени ФЭУ определяется временем развития электронной лавины между динодами и составляет обычно 10-7— 10-8 с. Фотоумножители специальной конструкции, предназначенные для исследования быстропротекающих процессов, могут работать до частот более 100 МГц. Такие ФЭУ способны регистрировать световые импульсы длительностью 4-5 нс.

Недостатками ФЭУ являются некоторая нестабильность и повышенный темновой ток. Однако при охлаждении жидким азотом (Т =77 К) в некоторых типах ФЭУ удается уменьшить шумы в такой степени, что оказывается возможным измерение светового потока мощностью порядка 10-19 Вт. Такая величина пороговой чувствительности, соответствующая регистрации одного фотона в секунду, является наилучшей среди всех приемников излучения.

5.5.Электронно-оптические преобразователи

Кприемникам с внешним фотоэффектом относится также электронно-оптический преобразователь (ЭОП), в котором с помощью электронного потока происходят преобразование оптического изображения из одной области спектра в другую и усиление яркости изображения. В простейшем случае (рис.5.5.1, а) ЭОП имеет вакуумированный корпус 1 с входным окном 2, на которое с внутренней стороны нанесен фотокатод 3. Линза 4 фокусирует оптическое изображение объекта 5 на фотокатод, который преобразует его в электронное изображение. Фотоэлектроны, усиленные электрическим полем и сформированные в поток фокусирующими электродами 6, образуют электронное изображение 7 объекта в плоскости флуоресцирующего экрана 8. На этом экране электронное изображение преобразуется в оптическое. С внутренней стороны экран покрыт тонкой пленкой алюминия 9, прозрачного для электронов и непрозрачного для оптического излучения — для предохранения фотокатода от оптического излучения экрана.

96

Рис. 5.5.1. Устройство электронно-оптического преобразователя (а) и

диссектора (б):

1 - корпус; 2 - входное окно; 3 - фотокатод; 4 - линза; 5 - объект; 6 - фокусирующие электроды; 7 - электронное изображение; 8 - флуоресцирующий экран; 9 -

алюминиевая пленка; 10 - стеклянная подложка; 11 - анод

Электронно-оптические преобразователи используют в спектроскопии, например, для преобразования ИК-изображения спектра в видимое или для повышения яркости спектра. В многокаскадных ЭОПах повышение яркости изображения (при сохранении разрешения) достигает 103.

Другим видом прибора с электронно-оптическим преобразованием является диссектор (рис.5.5.1, б). Этот прибор позволяет не только получать усиленное оптическое изображение, но и разворачивать его во времени с разрешением порядка 10-9 с. Электронный пучок формирует электронное изображение в плоскости анода 11, имеющего отверстие (щель). Фокусирующая и отклоняющая системы позволяют быстро смещать (сканировать) электронное изображение относительно этого отверстия. За отверстием находится система динодов электронного умножителя, подобно используемым в ФЭУ, усиливающая прошедший через отверстие анода электронный сигнал. С помощью диссектора можно осуществлять быструю регистрацию спектра в обычной системе координат Pλ = f(λ)

5.6. Приемники излучения с внутренним фотоэффектом

Внутренний фотоэффект требует меньшей энергии фотонов, чем внешний. Это определяет более длинноволновую спектральную область чувствительности приемников с внутренним фотоэффектом. Приемники на основе чистых полупроводников работают в области

97

спектра от видимой до длин волн 7 - 8 мкм, полупроводники с примесями чувствительны и в более далекой ИК-области.

Фотоэлементы с внутренним фотоэффектом - фотосопротивления основаны на свойстве полупроводника изменять свое сопротивление при облучении его световыми потоками. Фотосопротивления изготовляются посредствам нанесения тонкого слоя полупроводника 2 (рис.5.6.1) на решетки 1 и 3, изготовленные из тонких проводников.

Материалами для полупроводников служат селен, сплавы сульфида таллия с окисью талия (таллофид), сернистый свинец, сернистый висмут и др. Ток, проходящий через фотосопротивление, не имеет насыщения, и поэтому вольт-амперная характеристика фотосопротивления прямолинейна. Световая же его характеристика нелинейна.

Рис.5.6.1. Схема устройства фотоэлемента с внутренним

фотоэффектом

Рис.5.6.2. Схема фотосопротивлений: а - типа ФС-С: 1- электроды; 2- слой; б - типа ФС-К: 1 - таблетка сернистого кадмия; 2 – электроды

98

Важной характеристикой фотосопротивления является удельная чувствительность, выражаемая величиной фототока в микроамперах, отнесенной к световому потоку в 1 лм и приложенному напряжению в 1 В. Произведение удельной чувствительности на приложенное напряжение дает чувствительность фотосопротивления, т. е. отношение тока I к световому потоку Ф при данном напряжении источника.

На рис.(5.6.2) приведены схемы фотосопротивлений типа ФС- С и ФС-К.

Высокая чувствительность, устойчивость в работе, простота обслуживания, малые габариты фотосопротивлений и небольшая стоимость открывают большие возможности их применению в раз-

личных измерительных устройствах.

Фотодетекторы

Полупроводниковые преобразователи, предназначенные для измерения изменений параметров светового излучения, называются фотодетекторами. Фотоэлектрический преобразователь, являющийся простейшим видом фотодетекторов, и представляет собой полупроводниковый диод. Существует несколько типов таких преобразователей. Один из основных среди них — фотодиод, в котором используется эффект облучения светом (видимым или других длин волн) р-n-перехода с отрицательным смещением. При наличии облучения изменяется ток, протекающий через переход. Время отклика такого фотодиода составляет всего несколько наносекунд.

Для обеспечения более быстрой реакции на изменение параметров излучения разработаны PIN-диоды, в которых между слоями р- и n-типа имеется слой беспримесного полупроводника. Это повышает чувствительность к световому излучению и одновременно уменьшает емкость перехода, благодаря чему диод быстрее реагиру-

ет на изменение уровня измеряемой величины.

Фотопроводящие преобразователи

Эти преобразователи превращают изменение измеряемой величины в изменение сопротивления используемого материала

(рис.5.6.3).

99