Большая Энциклопедия Нефти и Газа
Регистрация светового потока производится обычно по однолу-чевой схеме с фотоэлектронным умножителем ( ФЭУ) и усилителем на самопишущем потенциометре. На некоторых приборах предусмотрена возможность компенсации и устранения флуктуации фона источника по двухлучевой схеме. [1]
При регистрации световых потоков интенсивностью ниже 10 лм применяют способ счета одноэлектронных импульсов, возникающих в фотоумножителе при попадании на фотокатод отдельных квантов света. [2]
Для регистрации малых световых потоков в схеме использован фотоэлектронный умножитель ФЭУ-31 с большим порогом чувствительности 5 — 10-а лм. [3]
Действие прибора основано на регистрации светового потока от участков глаза с различным коэффициентом отражения: от радужки-склеры или радужки-зрачка. При проецировании этих участков с помощью объектива на фотоприемник создается суммарный световой поток. При смещении глаза изменяется соотношение площадей темного и светлого участков на фотоприемнике. В результате изменяется суммарный световой поток и соответственно этому увеличивается или уменьшается сигнал на выходе фотоприемника. Метод по существу является относительным, так как величина выходного сигнала определяется не только углом поворота глаза и параметрами прибора, но и цветом радужки. Учитывая факторы, влияющие на выходной сигнал, перед записью мы делали калибровку, для чего пациенту предъявляли поочередно две светящиеся точки, видимые под углом 1 угл. [4]
Поэтому газовые фотоэлементы применяются для регистрации световых потоков с частотами не выше нескольких сотен герц. [5]
При фотографических и электрических методах регистрации светового потока размеры рабочей части испускающей поверхности должны быть значительно больше. Очень часто поэтому конструкция и габариты источников специально приспосабливаются к соответствующим задачам и методам световых измерений. [6]
При работе фотоэлектронных умножителей в режиме регистрации достаточно больших световых потоков ( обычные условия работы телевизионного передатчика с бегущим лучом) распределение флюктуации на выходе ФЭУ подчиняется нормальному закону. Так как нормальный случайный процесс при прохождении через линейные системы сохраняет свои функции распределения, то на выходе камерного канала распределение флюктуации подчиняется также нормальному закону. Изменяется только корреляционная функция и энергетический спектр шума. [7]
Из-за малых величин сигналов фотоэлементы применяются главным образом для регистрации больших световых потоков в системах управления и контроля. [8]
Однако особенно богатые перспективы для самых различных областей науки сулит развитие методов регистрации световых потоков ничтожной интенсивности при сохранении достаточно высокой точности измерения. Спектральный анализ и астрофизика, физика элементарных частиц и молекулярная физика в равной мере заинтересованы в прогрессе фотометрии малых освещенностей. На протяжении последних лет в этой области были достигнуты значительные успехи. Важнейшую роль в развитии данной отрасли технической физики сыграли электронные умножители — фотоэлементы с многокаскадным усилением фототока, изобретенные и успешно разработанные в Советском Союзе. [9]
Фотоэлементы используют в различных отраслях науки и техники, там, где необходима регистрация световых потоков , контроль различных величин с помощью света, а также в качестве контактных и надежных источников питания. [10]
В особом режиме используются ФЭУ в сцинтилля-ционной технике при регистрации ионизирующих излучений и при исследовании хемилюминесценции, когда регистрация сверхслабых световых потоков осуществляется методом счета фотонов. Качество ФЭУ при его применении в счетчике фотонов оценивается с помощью так называемых одноэлектронных характеристик. [11]
Поскольку ток утечки вносит лишь малую компоненту в общий уровень шумов, его присутствие почти не отражается на пороговой чувствительности фотоумножителя при работе с переменными световыми потоками ( см. гл. При регистрации постоянных световых потоков ток утечки является существенной помехой, так как он не остается постоянным во времени. Чувствительность фотокатода в ФЭУ-20 составляет в среднем 35 мка / лм. [13]
Этот фотоумножитель предназначен для использования при регистрации световых потоков , изменяющихся в широких пределах, вплоть до величин, при которых анодный ток достигает 10 ма. [15]
Большая Энциклопедия Нефти и Газа
Недостатком полупроводниковых фотоэлементов является их заметная инерционность: изменение фототока запаздывает относительно изменения освещенности фотоэлемента. Поэтому полупроводниковые фото — ммимшмшш элементы не пригодны для регистрации быстропеременных световых потоков . [16]
Фотосопротивления обладают значительной инерционностью. Только фотосопротивление ФС-А1 обладает сравнительно малой инерционностью и может быть использовано для регистрации светового потока , модулированного частотой до 6000 гц. [17]
Газонаполненные фотоэлементы позволяют получить токи в несколько раз большие по сравнению с токами вакуумных фотоэлементов. Они имеют нелинейную характеристику и большую постоянную времени, поэтому применяются для регистрации световых потоков с частотами не выше нескольких сотен герц. [18]
Принято разделять параметры ФЭУ на электрические и фотоэлектрические, радиометрические и эксплуатационно-конструктивные. Ряд радиометрических параметров, характеризующих импульсные электрические сигналы на выходе ФЭУ, используется также и при регистрации сверхслабых световых потоков методом счета фотонов и детектировании импульсного лазерного излучения. [19]
При взаимодействии с жидкостью некоторые параметры падающего света изменяются. В сложных полидисперсных гетерогенных растворах эти изменения для разных компонентов различны, что позволяет судить об их наличии и количестве путем регистрации световых потоков , прошедших исследуемую жидкость или отраженных от нее. [20]
Отметим, что понятие интенсивность здесь и в дальнейшем в книге-используется как величина, пропорциональная квадрату амплитуды. Это понятие хотя и не является терминологически узаконенным, однако его применение целесообразно при рассмотрении общих принципов работы интерференционных систем, когда нет необходимости фиксировать тот или другой способ регистрации светового потока . [21]
Отметим, что понятие интенсивность здесь и в дальнейшем в книге используется как величина, пропорциональная квадрату амплитуды. Это понятие хотя и не является терминологически узаконенным, однако его применение целесообразно при рассмотрении общих принципов работы интерференционных систем, когда нет необходимости фиксировать тот или другой способ регистрации светового потока . [22]
При измерении световых потоков, меньших 10-и лм, порог чув-ствителыюсти определяется электрическими флюктуациями ( см. гл. Наибольшую роль при этом играют флюктуации темнового тока умножителя. Как обычно, для регистрации возможно меньших световых потоков следует прибегнуть к охлаждению фотоумножителя и ограничению спектра частот. При охлаждении умножителя сухим льдом ( — 78 С) отдельные импульсы, которые можно было наблюдать, пользуясь электронным осциллографом, следовали друг за другом с интервалом в 5 — 10 сек. [23]
Лучше всего этому требованию удовлетворяет появившийся в последние годы метод регистрации световых потоков посредством счета фотонов на одноэлектронном уровне [3], который был использован в установке УРС-А. Электронная часть этого регистратора была разработана и изготовлена на кафедре ядерной физики Белорусского Государственного университета по техническому заданию Лаборатории института машиноведения. Основные технические данные регистратора: область спектральной чувствительности — 0 4 — 0 7 мк; предельная чувствительность — порядка 10 квант / сек; емкость регистратора — 106 импульсов; число импульсов нормирования дискретно в пределах 102 — н 106; питание от электросети 220 в, 50 гц. [24]
Широкое применение фотодиоды должны найти в быстро развивающейся оптоэлектронике. Однако в некоторых случаях целесообразно применять вентильный режим, в котором шумы значительно меньше, а темновой ток отсутствует. Например, при регистрации малых световых потоков , когда сигнал сравним с уровнем шумов и изменения темнового тока сравнимы с фототоком. [26]
Широкое применение фотодиоды должны найти в быстро развивающейся оптоэлектронике. Однако в некоторых случаях целесообразно применять вентильный режим, в котором шумы значительно меньше. Например, при регистрации малых световых потоков , когда сигнал сравним с уровнем PVMOB и изменения темнового тока сравнимы с фототоком. [28]
Световое моделирование радиационного теплообмена обладает рядом достоинств, способствующих его применению. Во-первых, сам по себе принцип светового моделирования позволяет исследовать процесс радиационного теплообмена в чистом виде и избежать ошибок, вносимых конвекцией и кондукцией, которые существенно осложняют экспериментальное исследование радиационного переноса на тепловых моделях. Во-вторых, световая модель имеет комнатную температуру, что существенно упрощает все операции экспериментирования и измерения по сравнению с излучающей системой, работающей при высоких температурах. В-третьих, применяемые для регистрации световых потоков измерительные средства могут быть изготовлены с большей чувствительностью и точностью, чем измерительные приборы для теплового излучения. И, наконец, метод светового моделирования является очень эффективным способом для определения как локальных, так и средних коэффициентов облученности. [29]
Под пороговой чувствительностью понимают минимальный световой поток, обусловливающий появление на фоторезисторе сигнала, вдвое превышающего уровень его шумов. Темновое сопротивление фоторезисторов часто очень велико. В связи с этим при регистрации малых световых потоков удобно применять постоянную подсветку ( фон) величиной в несколько люкс. Эта подсветка намного облегчает работу с фоторезисторами, но вносит некоторые изменения в их параметры. Так, пороговая чувствительность сернисто-кадмиевых фоторезисторов с ростом освещенности постоянной подсветки ухудшается незначительно, что говорит о целесообразности ее использования, а пороговая чувствительность селенисто-кадмиевых фоторезисторов при этом ухудшается значительно. [30]
Какая система регистрации имеет световой поток
РЕГИСТРАЦИЯ СПЕКТРОВ. ВЫБОР СИСТЕМЫ РЕГИСТРАЦИИ.
Под регистрацией спектров понимают определение зависимости энергии излучения от длины волны с помощью системы регистрации. Система регистрации обычно включает фотоэлектрический приемник излучения, преобразующий энергию электромагнитного излучения в электрический сигнал, аппаратные и программные средства для обработки и визуализации этого сигнала. Построенный график зависимости энергии выходного излучения от длины волны обычно и называют спектром.
В зависимости от типа используемого приемника излучения, различают следующие типы систем регистрации: интегральные и с построением изображения.
К интегральным системам регистрации относятся системы, в которых в качестве приемников излучения используются детекторы, преобразующие в электрический сигнал весь поток излучения (интегральный световой поток), без определения распределения энергии излучения по длинам волн. К такому типу детекторов относятся фотоэлектронные умножители (ФЭУ), фотодиоды и другие типы аналогичных детекторов.
К системам с построением изображения относятся системы, в которых в качестве приемников излучения используются линейные или матричные многоэлементные фотоприемники. Такие системы регистрации применяются в тех случаях, когда кроме собственно измерения количества энергии оптического излучения производится и определение распределения энергии излучения по длинам волн.
РЕГИСТРАЦИЯ СПЕКТРОВ С ПОМОЩЬЮ ИНТЕГРАЛЬНЫХ СИСТЕМ РЕГИСТРАЦИИ.
Для регистрации спектров с помощью интегральных систем регистрации приемник излучения устанавливается непосредственно за выходной щелью спектрального прибора. Ширина выходной щели определяет спектральную полосу излучения, прошедшего через монохроматор, которая рассчитывается как произведение ширины щели на величину обратной линейной дисперсии монохроматора.
Получение спектра с использованием интегральных систем регистрации производится по точкам путем последовательной перестройки монохроматора по длинам волн (сканирования по спектру) с заданным шагом сканирования и с одновременной регистрацией электрического сигнала приемника излучения в каждой точке спектра. Сканирование по спектру осуществляется путем разворота дифракционной решетки относительно оси ее вращения. При этом изменяется спектральный интервал длин волн в фокальной плоскости, и, соответственно, спектральная полоса излучения, прошедшего через выходную щель монохроматора. Детектор регистрирует всю энергию излучения выбранной спектральной полосы.
Для получения корректного графика спектра, процесс сканирования спектра с помощью монохроматора и системы регистрации должен быть синхронизирован. Возможны два варианта такой синхронизации: временная и пошаговая. При временной синхронизации скорость сканирования монохроматора во всем диапазоне сканирования должна быть постоянной (задается в единицах «нм/сек»). При использовании в качестве системы регистрации приемника излучения и самопишущего прибора (самописца), скорость сканирования должна быть соотнесена со скоростью протяжки самописца. В этом случае график спектра визуализируется с помощью самописца. Возможны и другие варианты временной синхронизации – например, с помощью синхроимпульсов, вырабатываемых монохроматором через определенные промежутки длин волн во время сканирования. Но все системы «сканирующий монохроматор – система регистрации» с временной синхронизацией неудобны в практическом использовании.
В сканирующих монохроматорах производства «СОЛАР ТИИ» применен более удобный пошаговый принцип синхронизации процесса сканирования спектра и его регистрации. В качестве одной из составных частей такой системы регистрации является встраиваемая плата АЦП (аналого-цифровой преобразователь). Эту плату мы предлагаем в качестве опции вместе с некоторыми нашими спектральными приборами. Плата принимает электрические сигналы с фотоприемников — фотодиод, ФЭУ и т.п. — и обрабатывает их с помощью 16-разрядного аналого-цифрового преобразователя. Плата АЦП встраивается внутрь спектрального прибора. Управление и спектральным прибором, и платой АЦП производится от компьютера по одному RS-232-интерфейсу. Использование такой платы позволяет на базе спектрального прибора построить спектрально-измерительный комплекс, т. е. производить сканирование по спектру в заданном спектральном диапазоне с заданным шагом сканирования с одновременной регистрацией сигнала от фотоприемника. Измеренный спектр выводится на экран монитора в виде графического изображения. Управление таким комплексом производится от компьютера с помощью специализированной программы «PSI-Line».
Спектр снимается по точкам. Алгоритм следующий: задается спектральный диапазон сканирования, шаг сканирования и время измерения (усреднения) сигнала с фотоприемника в каждой точке спектра. При запуске процесса сканирования монохроматор перестраивается на начальную длину волны, останавливается и производится измерение сигнала с заданным временем измерения. Затем монохроматор перестраивается на следующую длину волны, отличающуюся от предыдущей на шаг сканирования, останавливается и производится измерение сигнала на этой длине волны, и так далее, проходя последовательно по точкам весь диапазон сканирования. Таким образом, процесс сканирования состоит из последовательного выполнения следующих циклов: цикл перестройки монохроматора на нужную длину волны (точку спектра) и цикл измерения сигнала с фотоприемника на этой длине волны. Визуализация спектра производится одновременно с процессом сканирования.
В каждой точке спектра во время цикла измерения аналого-цифровой преобразователь производит не один отсчет, а несколько, с последующим их усреднением, что позволяет увеличить точность измерения. Период между отсчетами АЦП составляет около 82 мксек. Минимальное задаваемое время измерения в каждой точке спектра – 1 мсек. Таким образом, даже при минимальном времени измерения в каждой точке спектра производится 12 отсчетов АЦП, их усреднение и отображение на графике спектра этого усредненного значения. Чем больше время измерения, тем больше производится отсчетов АЦП (зависимость — линейная) и тем ближе полученное усредненное значение сигнала с фотоприемника к истинному значению – т.е. тем выше точность измерения. Таким образом, меняя время измерения, можно менять и точность измерения. Для достижения необходимой точности измерения, при регистрации слабых сигналов нужно задавать большее время измерения, чем при регистрации больших сигналов. При этом абсолютная величина сигналов при регистрации их с различными временами измерения не меняется – при увеличении времени измерения увеличивается только точность измерения. С учетом такой особенности алгоритма измерения, время измерения в каждой точке спектра и названо как «время усреднения» (“averaging time”).
Для такого алгоритма измерения скорость сканирования (в общепринятом понимании) не указывается. Скорость сканирования обычно задается в единицах «нм/сек» и определяется как отношение диапазона сканирования (в нанометрах) к времени сканирования заданного диапазона (в секундах). Для принятого алгоритма сканирования время сканирования одного и того же спектрального диапазона будет различным в зависимости от количества точек спектра и времени усреднения в каждой точке. Это связано с тем, что, как указывалось выше, процесс сканирования состоит из последовательного выполнения циклов перестройки монохроматора в нужную точку спектра и циклов измерения в этой точке.
Минимальное время усреднения в каждой точке спектра равно 1 миллисекунде, максимальное – 5000 миллисекунд.
Минимальный шаг сканирования равен единичному шагу перестройки по длинам волн и зависит от параметров установленной решетки (количество штрихов на миллиметр). Например, для монохроматора / спектрографа MS3501 с решеткой 1200 штр/мм минимальный шаг сканирования равен 0,01 нм.
В связи с тем, что сканирующие монохроматоры производства «СОЛАР ТИИ» имеют два выходных порта, на которые могут быть одновременно установлены два интегральных приемника излучения, плата АЦП также имеет два входа для приема сигналов с двух приемников. Каждый детектор может быть подключен к одному из входов.
Переключение выходных портов сканирующего монохроматора производится с помощью автоматизированного выходного зеркала по команде от компьютера. Выходной порт, на который с помощью выходного зеркала направлено излучение, называется активным. Соответственно, и детектор, установленный на активном выходном порту, также называется активным. Если используются два детектора, то в любой момент времени активным может быть только один из них. Плата АЦП может одновременно принимать сигнал только от одного приемника, подключенного к ее активному входу. Выбор активного входа платы АЦП производится либо автоматически, в зависимости от положения выходного зеркала, либо вручную.
В качестве приемников излучения интегральных систем регистрации наиболее часто используют фотоэлектронные умножители (ФЭУ) и фотодиоды.
ФЭУ является фотоприемником с внешним фотоэффектом и представляет собой вакуумный элемент с внутренним усилением фототока в результате вторичной эмиссии. ФЭУ содержит фотокатод и большое количество вторичных эмиттеров (динодов), между которыми приложены ускоряющие разности потенциалов. Вылетевшие из фотокатода под действием света электроны ускоряются электрическим полем и направляются на первый динод, и образовавшиеся вторичные электроны также ускоряются и направляются на следующий динод, и т. д. Форма фотокатода и динодов, их взаимное расположение и величины ускоряющих полей рассчитываются так, чтобы все электроны, вылетевшие с одного динода (и фотокатода) попали на последующий. Таким образом, слабый фототок, обусловленный вылетевшими из фотокатода под действием света электронами, усиливается динодной системой и формирует на коллекторе (аноде) выходной токовый сигнал. Коэффициент усиления ФЭУ определяется количеством динодов.
Для использования с нашими сканирующими монохроматорами мы предлагаем ФЭУ, модель PMT R928. Этот детектор предназначен для регистрации оптического излучения в спектральном диапазоне от 185 до 900 нм. В качестве фоторегистрирующего элемента в детекторе используется фотоэлектронный умножитель (ФЭУ), тип R928, производства фирмы Hamamatsu. Детектор устанавливается непосредственно на выходную щель спектральных приборов производства «СОЛАР ТИИ».
Фотодиод является фотоэлектрическим приемником с внутренним фотоэффектом. В этом приемнике используется эффект фотопроводимости – увеличение электропроводности полупроводника при поглощении фотонов.
Существует большое количество разновидностей фотодиодов в зависимости от материала полупроводника. Они различаются как рабочим спектральным диапазоном, так и чувствительностью. Наибольшее распространение получили фотодиоды на базе кремниевых структур — кремниевые фотодиоды (Si), германиевые (Ge) и индий-галий-арсенидовые (InGaAs) фотодиоды. Эти фотодиоды предназначены для работы в спектральном диапазоне от ультрафиолетовой до ближней инфракрасной области спектра (от 0,2 до 2,3 мкм). Для более длинноволновой области спектра (от 1,5 до 5,5 мкм) могут использоваться InAs и InSb фотодиоды или фотосопротивления на базе PbS, PbSe или HgCdTe полупроводников. Для дальней инфракрасной (от 2 до 40 мкм) области спектра используются пироэлектрические детекторы или термопары.
Одним из основных недостатков фотодиодов является их невысокая, по сравнению с ФЭУ, чувствительность. ФЭУ, являясь фотоприемником с внутренним усилением фототока, имеет чувствительность на несколько порядков выше, чем фотодиоды. Но ФЭУ для работы требуют высокого питающего напряжения (до 2500 В), что иногда ограничивает их использование. При использовании фотодиодов требуется низкое питающее напряжение, что позволяет создавать компактные детекторы.
Основным достоинством фотодиодов является широкий спектральный рабочий диапазон. Спектральный диапазон ФЭУ определяется материалом фотокатода и обычно ограничен ультрафиолетовой и видимой (от 200 до 650 нм), а иногда и ближней инфракрасной (до 900 нм) областью спектра. ФЭУ для инфракрасной области (до 1,3 мкм) достаточно дорогие, и их чувствительность невысокая.
Одним из достоинств ФЭУ является их быстродействие и малая выходная емкость, что позволяет создавать на базе ФЭУ быстродействующие детекторы для регистрации быстропротекающих процессов.
При использовании интегральных систем регистрации важно, чтобы все излучение, прошедшее через выходную щель, попадало на приемную площадку фотоприемника. Излучение, выходящее из щели монохроматора, распространяется не в виде параллельного пучка, а расходится в определенном телесном угле. Поэтому оптимальным было бы устанавливать приемник излучения непосредственно за выходной щелью, где апертура пучка минимальна, но это не всегда практически реализуемо. Некоторые приемники излучения (например ФЭУ PMT R928 или фотодиод с приемной площадкой размером 10х10 мм) имеют достаточно большой размер приемной площадки. Детекторы, изготовленные на базе таких приемников, можно устанавливать непосредственно на выходную щель монохроматора. Для детекторов с приемной площадкой размером менее 5 мм необходимо использовать специальный узел сопряжения, который с помощью тороидального зеркала переносит изображение выходной щели на фоточувствительную поверхность приемника излучения. В этом случае все выходное излучение монохроматора попадает на приемную площадку приемника излучения без потерь. При необходимости мы можем рассчитать и изготовить нужный узел сопряжения для Ваших детекторов.
РЕГИСТРАЦИЯ СПЕКТРОВ С ПОМОЩЬЮ СИСТЕМ РЕГИСТРАЦИИ
С ПОСТРОЕНИЕМ ИЗОБРАЖЕНИЯ.
При регистрации спектров с помощью систем регистрации с построением изображения приемник излучения устанавливается в фокальной плоскости спектрального прибора. Выходная щель в этом случае не используется, а дифракционная решетка устанавливается в положении, при котором в фокальной плоскости формируется заданный спектральный интервал длин волн.
В системах регистрации с построением изображения используются линейные или матричные многоэлементные фотоприемники.
Линейный фотоприемник (детектор) состоит из большого количества (до нескольких тысяч) фоточувствительных элементов, сориентированных в линию. Часто эти фоточувствительные элементы линейного фотоприемника называют «пикселями», от английского “pixel” — (минимальный) элемент изображения. Линейный детектор устанавливается в фокальной плоскости спектрального прибора (в этом случае он называется спектрографом) таким образом, чтобы пространственно разложенное в спектр выходное излучение располагалось вдоль линейки фоточувствительных элементов (пикселей). Каждый пиксель линейного детектора регистрирует энергию излучения спектральной полосы, ширина которой определяется линейной шириной пикселя и дисперсией прибора. Регистрация сигналов со всех фоточувствительных элементов линейного детектора производится одновременно. Если визуализировать результат измерения сигналов с линейного детектора в виде графика, ось ординат которого будет отображать интенсивность сигнала от фоточувствительного элемента, а ось абсцисс – порядковый номер этого элемента, то полученный график будет являться графиком зависимости энергии выходного излучения от длины волны, т.е. спектром.
Например, для монохроматора / спектрографа MS3501 с решеткой 1200 штр/мм обратная линейная дисперсия (средняя) равна 2,37 нм/мм. При регистрации спектра с помощью детектора HS102H, ширина одного пикселя которого равна 14 мкм, спектральная полоса, регистрируемая одним пикселем, будет равна 2,37 [нм/мм] x 0,014 [мм] = 0,033 [нм]. Принимая во внимание, что общее количество пикселей этого детектора равно 2048, можно рассчитать спектральный интервал длин волн, регистрируемый всем детектором:
2048 x 0,033 [нм] = 68 [нм].
Для того, чтобы зарегистрировать весь спектр, необходимо регистрировать его по частям, последовательно поворачивая дифракционную решетку в спектрографе с определенным шагом, производя на каждом шаге регистрацию спектра. Обычно регистрируют наиболее информативную для пользователя часть спектра. Для поиска этой части спектра используют решетки, которые позволяют увеличить спектральный диапазон длин волн, одновременно регистрируемый линейным детектором. Например, при использовании решетки 150 штр/мм в монохроматоре / спектрографе MS3501, обратная линейная дисперсия (средняя) будет равна примерно 17 нм/мм, и, следовательно, одновременно регистрируемый линейным детектором спектральный диапазон длин волн составит около 487 нм (17х0,014х2048). Выбрав в зарегистрированном с помощью такой решетки спектре (его иногда называют «обзорным») нужный, более узкий, диапазон, далее этот диапазон регистрируют более детально, используя решетки с большим количеством штрихов на миллиметр. Для организации такого метода регистрации необходимо использовать спектрограф со сменными решетками. Наиболее удобны в этом отношении спектрографы с четырехпозиционной автоматизированной турелью на 4 дифракционные решетки. Смена решеток производится автоматически, по командам с компьютера.
В случае заказа спектрографа совместно с линейным детектором в качестве системы регистрации, последний поставляется калиброванным по длинам волн. Управление и спектрографом, и линейным детектором в этом случае производится от компьютера с помощью специализированной программы «PSI-Line». Для установленной выходной длины волны спектрографа программа точно рассчитывает регистрируемый линейным детектором спектральный интервал длин волн в зависимости от характеристик спектрографа и параметров установленной решетки.
Линейные детекторы широко используются в малогабаритных спектрографах с фиксированным положением решетки. В таких спектрографах, в отличие от сканирующих, нет движущихся частей; решетка устанавливается под определенным фиксированным углом. В зависимости от угла разворота решетки и ее параметров, в фокальной плоскости формируется спектр нужного спектрального интервала. Спектрограф со встроенной системой регистрации называется спектрометром. «СОЛАР ТИИ» предлагает несколько моделей малогабаритных спектрометров — серии SL40-2 и серии S150-2.
Наряду с линейными фотоприемниками, в системах регистрации с построением изображения используются матричные фотоприемники, в которых фоточувствительные элементы расположены в виде поля (матрицы) из большого количества линий, называемых строками. Детекторы с матричными фотоприемниками могут быть применены в качестве линейных, используя аппаратное суммирование требуемого количества строк или выделяя на матрице необходимое количество линеек.
Наиболее широко системы регистрации с матричными фотоприемниками применяются в многоканальной спектроскопии (Multi-track Spectroscopy), где в качестве спектрального прибора используется спектрограф изображения (Imaging Spectrograph). Если на вход такого спектрографа подать пространственно разнесенное излучение от нескольких источников, то в фокальной плоскости сформируются пространственно разнесенные спектры от каждого отдельного источника. Расположив матричный фотоприемник таким образом, чтобы спектры располагались вдоль строк матрицы, и используя для визуализации только те строки, на которые попадает выходное излучение, можно одновременно регистрировать спектры от нескольких источников.
Управление матричным детектором осуществляется от компьютера с помощью специализированной программы «ProDIA».
При выборе системы регистрации необходимо учитывать спектральный диапазон работы детектора и скорость регистрации спектров.
Скорость (время) регистрации спектров.
Скорость регистрации спектров с использованием систем регистрации с построением изображения, в которых одновременно регистрируется весь спектральный интервал длин волн, попадающий на линейный детектор, обычно выше скорости регистрации спектров с использованием интегральных систем регистрации, в которых регистрация спектров производится последовательно по точкам. При регистрации достаточно слабых световых потоков для систем регистрации с построением изображения необходимо увеличивать время экспозиции. В то же время, если в интегральной системе регистрации применяется высокочувствительный детектор (например, ФЭУ), регистрация аналогичного слабого светового потока может производиться с большой скоростью, и в этом случае скорости регистрации спектров обоими системами регистрации могут быть сопоставимы, особенно если требуется зарегистрировать спектр в узком интервале длин волн.
Системы регистрации с построением изображения обладают неоспоримым преимуществом, по сравнению с интегральными системами, при регистрации спектров быстропротекающих процессов, например, излучения импульсных лазеров.
Спектральный диапазон.
Спектральный диапазон регистрируемого интервала длин волн в большинстве случаев зависит от области спектральной чувствительности приемника излучения, так как обычно спектральные приборы могут обеспечить достаточно широкий интервал длин волн выходного излучения.
Линейные и матричные детекторы на базе кремниевых структур имеют область спектральной чувствительности от 200 до 1100 нм (ультрафиолетовая, видимая и ближняя инфракрасная область спектра). Это наиболее широко используемые линейные детекторы в силу своей относительной дешевизны. Линейные детекторы для ближней инфракрасной области спектра — область спектральной чувствительности от 900 до ~2500 нм – достаточно дорогие. Линейные детекторы для других спектральных диапазонов либо очень дорогие, либо не производятся вообще. Таким образом, одним из ограничений использования линейных детекторов является их достаточно узкий диапазон спектральной чувствительности.
Интегральные детекторы имеют гораздо более широкую область спектральной чувствительности. В зависимости от типа детектора, они могут регистрировать излучение в диапазоне длин волн от 190 нм до 40 мкм.
Подробную информацию о всех системах регистрации, предлагаемых СП «СОЛАР ТИИ», Вы можете найти на нашем сайте. При необходимости наши специалисты помогут выбрать систему регистрации, наилучшим образом подходящую для Ваших задач.
II.8.3. Фотоэлектрическая регистрация спектра
Использование вместо фотопластинки фотоэлектрических приемников дает возможность сократить время анализа и снизить погрешность регистрации спектра. В современных спектральных приборах для регистрации спектра применяются фотоэлементы и фотоэлектронные умножители.
Простейшими фотоэлектрическими приемниками света являются вентильные фотоэлементы, действие которых основано на внутреннем фотоэффекте. Они представляют собой полупроводниковые приборы с гомогенным электрон-дырочным переходом (p — n переходом), полупроводниковым гетеропереходом или контактом металл — полупроводник. В таких фотоэлементах используются внутренний фотоэффект полупроводника и вентильный эффект запирающего слоя, который образуется на границе между полупроводником и металлом или двумя полупроводниками. Запирающий слой пропускает электроны практически только в одном направлении и не пропускает в другом. Таким образом, возбужденные электроны могут проходить через запирающий слой, создавая разность потенциалов. В селеновом фотоэлементе электроны, находящиеся в селене, под действием света возбуждаются и через запирающий слой проходят в полупрозрачную пленку золота, являющуюся покрывным электродом. Обратному переходу электронов препятствует запирающий слой. Это приводит к тому, что покрывной электрод заряжается отрицательно, а слой селена — положительно. При замыкании такой системы во внешней цепи появляется ток. Характерным свойством фотоэлементов с запирающим слоем является возникновение тока под действием света без участия постороннего источника напряжения. Достоинствами фотоэлементов с запирающим слоем являются достаточно высокая чувствительность, широкий спектральный интервал и простота конструкции. Основные недостатки: нелинейность световой характеристики, инерционность и заметная температурная зависимость фототока. В зависимости от свойств полупроводникового слоя вентильные фотоэлементы обладают различной спектральной чувствительностью. Для работы в видимой области спектра обычно применяют селеновые фотоэлементы, с максимумом чувствительности вблизи длины волны 450 нм. В красной и инфракрасной области более чувствительны серно-серебряные фотоэлементы.
Малое внутреннее сопротивление приводит к трудностям при необходимости усиления первичного фототока. По этой причине такие фотоэлементы используют в основном в фильтровых пламенных фотометрах, где измеряемые световые потоки достаточно велики и фототок можно измерять непосредственно зеркальным или стрелочным гальванометром.
В спектрофотометрах, где из-за малости измеряемых световых потоков приходится обычно прибегать к усилению фототоков, вместо вентильных фотоэлементов используют фотоэлементы с внешним фотоэффектом или фотоэлектронные умножители.
Действие вакуумного фотоэлемента основано на внешнем фотоэффекте. Под действием света из металлической пластинки, расположенной в вакууме, может происходить испускание электронов (фотоэмиссия). При освещении фотоэлемента монохроматическим светом условие фотоэффекта можно записать
h = 0 + m0V 2 /2, (II.20)
где h — энергия кванта света с частотой ; m0 и V — масса и скорость выбиваемого фотоэлектрона; 0 — работа выхода (энергия, необходимая для выбивания электрона из металла). Приведенное соотношение показывает, что с уменьшением частоты (увеличением длины волны) может быть достигнута граница, когда h = 0, ниже которой энергии фотонов недостаточно для преодоления работы выхода (длинноволновая или красная граница фотоэффекта). Для поддержания процесса испускания электронов необходимо приложить к фотоэмиттеру отрицательный полюс внешнего источника тока, а положительный полюс приложить к вспомогательному электроду (аноду). Таким образом, фотоэлемент представляет собой вакуумированный стеклянный баллон, на часть внутренней посеребренной поверхности которого нанесен фоточувствительный слой — фотокатод (например, цезий, сплавы сурьмы с цезием или висмута с сурьмой и цезием). Напротив него расположен металлический электрод — анод.
При наложении на электроды напряжения от постороннего источника питания электроны, испускаемые под действием света фотокатодом, начинают двигаться к аноду. Таким образом, в цепи анод — катод возникает ток, сила которого пропорциональна световому потоку, падающему на фотокатод (при сравнительно малых освещенностях).
Выбор величины напряжения питания фотоэлемента определяется его вольт-амперной характеристикой, особенность которой заключается в существовании области насыщения с началом, соответствующим напряжению, при котором каждый эмитируемый фотокатодом электрон попадает на анод. Очевидно, что наиболее выгодно работать в насыщении, так как в этом случае ток, протекающий через фотоэлемент, не зависит от напряжения и определяется только интенсивностью измеряемого светового потока. При этом не требуется стабилизация напряжения питания.
Спектральная чувствительность фотоэлемента определяется свойствами фотокатода и прозрачностью материала баллона. Кривая спектральной чувствительности обычно имеет максимум, положение которого по оси длин волн определяется химическим составом фотокатода. Для различных областей спектра могут быть подобраны оптимальные по чувствительности фотокатоды, например, для обычной УФ-области 200 — 450 нм — сурьмяно-цезиевые или сурьмяно-мультищелочные фотокатоды, для длинноволновой (более 700 нм) — кислородно-цезиевые.
Основным недостатком фотоэлемента является его низкая чувствительность и, следовательно, необходимость усиления фототока для его надежной регистрации. Однако схемы усиления вносят значительную погрешность из-за собственных шумов.
Значительно большей чувствительностью обладают фотоэлектронные умножители (ФЭУ). Их работа основана на том, что поток электронов, испускаемых фотокатодом, попадая на поверхность металла, заряженную положительно относительно фотокатода, но отрицательно относительно следующего электрода, может вызывать вторичную эмиссию электронов. При этом один начальный электрон, получивший дополнительную энергию при движении в электрическом поле, способен выбить два и более электронов из следующего электрода. Таким образом, ФЭУ представляет собой электровакуумный прибор, в котором поток электронов, эмитируемых фотокатодом под действием оптического излучения, усиливается в умножительной системе в результате вторичной электронной эмиссии. Ток в цепи анода (коллектора вторичных электронов) значительно превышает фототок (обычно в 10 5 и более раз).
Рис. II.12. Фотоэлектронный умножитель
Наиболее распространены ФЭУ, в которых ускорение электронного пучка осуществляется при помощи системы дискретных динодов — электродов корытообразной или жалюзиобразной формы. В стеклянном вакумированном баллоне (рис. II.12) помещены фотокатод и эмиттеры (диноды). К фотокатоду и динодам с помощью делителя напряжения прикладывается разность потенциалов порядка десятков вольт между каждым последующим каскадом. Электроны, испускаемые фотокатодом под действием светового излучения, ускоряются полем и попадают на первый динод, где они эмитируют вторичные электроны. Далее процесс повторяется от динода к диноду, благодаря чему количество электронов возрастает от каскада к каскаду. Если первичный фототок равен i, а коэффициент вторичной эмиссии для всех n каскадов одинаков и равен , то общий коэффициент усиления равен n . Его значение зависит кроме числа каскадов от свойств эмиттера и приложенного напряжения. Электроны с последнего динода собираются на аноде; ток между этими двумя электродами регистрируется каким-либо прибором.
Форму и расположение электродов подбирают с таким расчетом, чтобы по возможности большее число электронов, эмитируемых на каждом из динодов, попадало на следующий.
Основным параметром, определяющим режим работы ФЭУ, является напряжение питания, оптимальная величина которого зависит от ряда конструктивных особенностей — количества динодов, материала эмиттера и т.д. Для нормальной работы ФЭУ необходимо некоторое минимальное напряжение, обеспечивающее возникновение вторичной электронной эмиссии на динодах. С повышением напряжения питания увеличивается коэффициент усиления ФЭУ. Вместе с тем активизируются процессы, вызывающие возрастание уровня шумов. Поэтому отношение сигнал/шум достигает минимума при некоторой определенной величине напряжения питания.
При освещенностях, значительно превышающих порог чувствительности фотокатода, основная погрешность связана с непостоянством коэффициента усиления. В случае измерения малых сигналов основную погрешность вносит темновой ток, т.е. ток, текущий в анодной цепи затемненного, но находящегося под напряжением ФЭУ. Темновой ток порождается в первую очередь термоэлектронной эмиссией фотокатода и первых динодов, а также током утечки по поверхности баллона между электродами. Темновой ток растет с увеличением напряжения питания, причем начиная с определенного значения быстрее, чем коэффициент усиления. Поскольку коэффициент усиления сильно зависит от напряжения питания ФЭУ, то очевидно, что от стабильности работы источника питания в значительной степени зависит погрешность измерения.
Сравнивая фотографическую и фотоэлектрическую регистрацию спектра, можно выделить следующее.
- Фотоэлектрическая регистрация позволяет регистрировать значительно меньшие световые потоки.
- Точность фотоэлектрической регистрации спектра значительно выше, чем при фотографической.
- Фотоэлектрическая регистрация намного более экспрессна.
- Фотопластинка обладает пространственной селективностью: на ней представлен весь спектр в рабочей области длин волн. Поэтому информативность фотопластинки намного выше. Кроме того, фотопластинка является хранимым документом.