Раздел 4. Светотехнические приборы для изучения экологических вопросов
Лекция 12
Проблемы оценки параметров излучения
1.Приемники лучистой энергии.
2.Классификация и общая характеристика приборов и приемников света для измерения освещенности.
3.Краткие сведения о люксметрах.
1.Приемники лучистой энергии
Приёмники излучения – устройства для преобразования сигналов электромагнитного излучения (в диапазоне от рентгеновских лучей с длиной волны l = 10-9 см до радиоволн с l = 10-1 см) в сигналы другой физической природы с целью их обнаружения и использования (изучения) информации, которую они несут.
Приёмники излучения часто являются одними из основных узлов автоматических приборов и систем управления. Они играют важную роль в научных исследованиях, например в спектроскопии, квантовой электронике и астрономии.
Преобразование сигналов в приёмниках излучения осуществляется в процессе взаимодействия поля электромагнитного излучения с тем или иным веществом. Поле изменяет энергетические состояния электронов, атомов или молекул вещества, и эти изменения регистрируются.
Существуют различные типы приёмников излучения, в которых используются вещества в разных агрегатных состояниях.
Так, например, излучение может ионизовать газ, вызывая в нём электрический разряд. В этом случае регистрируется импульс тока или напряжения, а приёмник излучения называется счётчиком фотонов. Возможна регистрация увеличения объёма газа, нагреваемого поглощённым излучением. Таков принцип действия оптико-акустических (пневматических) приёмников излучения, которые могут работать во всей указанной области спектра, но чаще применяются в далёкой инфракрасной (ИК) области в диапазоне длин волн 50-1000 мкм.
Самую обширную группу составляют приёмники излучения из чувствительного к излучению твёрдого вещества. К ним относятся:
1.Болометры, у которых при поглощении излучения меняется сопротивление электрическому току.
2.Термоэлементы, реакция которых на нагрев излучением состоит в появлении термо-эдс.
3.Пироэлектрические приёмники излучения, изготовляемые из кристаллов сегнетоэлектриков – при взаимодействии с излучением на их поверхности появляется статический электрический заряд.
Все эти приёмники излучения относятся к тепловым приёмникам излучения, так как в механизме преобразования энергии в них основную роль играет нагрев вещества излучением. Они применяются во всей рассматриваемой области спектра.
В фотоэлектрических приёмниках излучения излучение непосредственно воздействует на электроны вещества (главным образом в явлениях внешнего и внутреннего фотоэффекта).
Внешний фотоэффект, или фотоэлектронная эмиссия используются в основном при l < 1-2 мкм (фотоэлементы и фотоэлектронные умножители).
Фотосопротивления (фоторезистор), фотодиоды и другие приёмники излучения с внутренним фотоэффектом чувствительны к излучению вплоть до субмиллиметрового радиодиапазона.
При более коротких l из рассматриваемой области спектра фотоэлектронные умножители и полупроводниковые лавинные фотодиоды могут работать в режиме счётчиков фотонов. Существуют также счётчики фотонов, в которых используется эффект ионизации жидкости или твёрдого тела излучением.
В далёком ИК и субмиллиметровом диапазонах применяют приёмники излучения, в которых фотоны не изменяют концентрацию электронов проводимости в твёрдом теле, а либо изменяют их, либо оказывают давление на электроны путём передачи им импульса (эффект увлечения электронов фотонами, подробнее см. вопрос 3 лекции: Приёмники света).
Фотоэлектрические приёмники излучения для диапазона 5-1000 мкм требуют охлаждения до 4-77 К, причём их рабочая температура должна быть тем ниже, чем больше длина волны регистрируемого излучения.
При низких рабочих температурах для приёма излучения используется также явление сверхпроводимости и связанные с ним эффекты (приёмники излучения, основанные на эффекте Джозефсона, сверхпроводящие болометрические приёмники излучения и др.).
Наряду с одноэлементными приёмниками излучения существуют многоэлементные приёмники излучения с отдельными приёмными элементами, дискретно или непрерывно распределёнными по поверхности. Они служат для получения двумерного изображения излучающего объекта. Классическим примером таких приёмников излучения являются фотопластинки и фотоплёнки. К ним относятся также электроннооптические преобразователи (работают при l £ 1,2 мкм), телевизионные передающие трубки, люминесцентные преобразователи (с тепловым гашением для всей рассматриваемой области спектра и «вспышечные» для излучения с l ~ 2 мкм), многоплощадочные полупроводниковые болометры и фотосопротивления (из сернистого свинца – до l ~ 3,5 мкм, из сурьмянистого индия – до l ~ 5,5 мкм), эвапорографы, в которых испаряется нагреваемая излучением плёнка масла, и пр.
Важный параметр любого приёмника излучения – отношение полезного сигнала к уровню помех. В процессе преобразования приёмник излучения не должен существенно ухудшать эту величину. Способность приёмника излучения регистрировать сигналы минимальной длительности характеризуется его постоянной времени.
Для практических целей важны такие характеристики приёмников излучения, как коэффициент преобразования и пороговая чувствительность – величина минимального сигнала, обнаруживаемого приёмником излучения. Чувствительность лучших счётчиков и фотоумножителей такова, что позволяет регистрировать отдельные фотоны падающего излучения. Приёмники излучения ИК диапазона менее чувствительны. Величина D*, обратная пороговой чувствительности приёмника излучения, отнесённой к единице полосы рабочих частот и к единице площади приёмной поверхности, для тепловых приёмников излучения достигает 109, для фотоэлектрических – 1012 (для l ~ 3 мкм) и 1010-1011 (для l ~ 1000 мкм), постоянная времени электроннооптических преобразователей – до 10-12 с, специальных фотоэлементов – до 10-9 с, фотоэлектрических приёмников излучения с внутренним фотоэффектом – 10-7 с, в некоторых случаях (например, у примесных фотосопротивлений) – до 10-10 с, тепловых приёмников излучения – до 10-9 с, но чаще (при высоких D*) 10-2-10-3 с.
Примечание: При подготовке данного параграфа использованы материалы из ([http://www. cultinfo. ru/fulltext/1/001/008/092/719.htm] ).
Приёмники инфракрасного излучения основаны на преобразовании энергии инфракрасного излучения в другие виды энергии, которые могут быть измерены обычными методами. Существуют тепловые и фотоэлектрические приёмники инфракрасного излучения. В первых поглощённое инфракрасного излучения вызывает повышение температуры термочувствительного элемента приёмника, которое и регистрируется. В фотоэлектрических приёмниках поглощённое инфракрасное излучение приводит к появлению или изменению электрического тока или напряжения. Фотоэлектрические приёмники, в отличие от тепловых, являются селективными приёмниками, т. е. чувствительными лишь в определённой области спектра. Специальные фотоплёнки и пластинки - инфрапластинки - также чувствительны к инфракрасному излучению (до l = 1,2 мкм), и потому в инфракрасном излучении могут быть получены фотографии.
2.Классификация и общая характеристика приборов и приемников света для измерения освещенности
2.1. Приёмники света
Приёмники света – устройства, изменение состояния которых (реакция) под действием потока оптического излучения служит для обнаружения этого излучения, его измерения, а также для фиксации и анализа оптических изображений излучающих объектов.
Приёмники света представляют наиболее обширный класс приёмников излучения. В приёмниках света энергия излучения оптического диапазона преобразуется в другие виды энергии.
Важными параметрами, характеризующими свойства и возможности различных типов приёмников света, являются:
1.Пороговая чувствительность – минимальный поток излучения, который может быть обнаружен на фоне собственных шумов приёмника света.
2.Коэффициент преобразования (относительная чувствительность), который связывает падающий на приёмник света поток излучения с величиной сигнала на выходе приёмника света.
3.Постоянная времени – время, за которое сигнал на выходе приёмника света нарастает до определённого уровня (этот параметр служит мерой способности приёмника света регистрировать оптические сигналы минимальной длительности).
4.Спектральная характеристика – зависимость чувствительности приёмника света от длины волны излучения.
Приёмники света, у которых чувствительность слабо зависит от длины волны в широком диапазоне длин волн, называются неселективными, в отличие от селективных приёмников света, имеющих на спектральной характеристике четко выраженные максимумы и (или) минимумы.
Приёмники света подразделяют на четыре вида:
-тепловые,
-фотоэлектрические,
-механические,
-химические.
К тепловым приёмникам света относятся:
-термоэлементы,
-металлические и полупроводниковые болометры,
-молекулярные радиометры, оптико-акустические приёмники света.
Из них наиболее распространены термоэлементы и вакуумные болометры. Изменение температуры поглощающей свет поверхности термоэлемента приводит к появлению в нём термо-эдс. Повышенной чувствительностью обладают последовательные соединения нескольких термоэлементов, называемых термостолбиками.
В оптико-акустических (пневматических) приёмниках света регистрируется увеличение объёма газа, нагреваемого поглощённым излучением. К тепловым приёмникам света, применяемым в инфракрасном (ИК) диапазоне, относятся и жидкие кристаллы, которые при нагреве излучением изменяют цвет. Тепловые приёмники света, как правило, неселективны и пригодны для измерений лучистой энергии в широкой области спектра (200 нм – 20 мкм; иногда до 1000 мкм). Пороговая чувствительность лучших тепловых приёмников света ~ 10-10-10-11 вт, а постоянная времени в большинстве случаев составляет 10-1-10-3 с.
Фотоэлектрические приёмники света разделяют на приёмники света с внешним и внутренним фотоэффектом.
Фотоэлектрические приёмники света включают:
-фотоэлементы,
-фотоэлектронные умножители,
-фотосопротивления (фоторезисторы),
-фотодиоды,
-электроннооптические преобразователи,
-приёмники света с фотоэлектромагнитным эффектом,
-квантовые усилители оптического диапазона.
Эти приёмники света селективны, и их реакция зависит от величин энергий отдельных поглощённых фотонов.
Спектральная чувствительность приёмников света с внешним фотоэффектом имеет характерную длинноволновую («красную») границу в области 0,6-1,2 мкм, определяемую природой вещества приёмника света. Пороговая чувствительность приёмника света с внешним фотоэффектом может быть доведена до 10-12-10-15 Вт/с при постоянной времени менее 10-9 с (для электроннооптических преобразователей до 10-12 с). Чувствительность счётчиков фотонов ещё выше – до 10-17 Вт/с.
Преимуществом фотосопротивлений, фотодиодов и приёмников света с фотоэлектромагнитным эффектом относительно приёмников света с внешним фотоэффектом является их работоспособность в далёкой ИК области спектра (10-30 мкм). Предельная чувствительность фотосопротивлений (в полосе частот шириной 1 Гц) составляет 10-10-10-12 Вт/с при постоянной времени 10-5-10-7 с.
Для регистрации сверхкоротких импульсов лазерного излучения ИК диапазона в СССР разработан новый вид приёмников света, в которых используется эффект увлечения свободных электронов в полупроводниках фотонами. При поглощении света электронами вместе с энергией падающей световой волны поглощается и её импульс (количество движения). Перераспределение импульса между кристаллической решёткой полупроводника и свободными электронами приводит к появлению упорядоченного движения (увлечения) электронов относительно решётки и регистрируется в виде тока или эдс. Приёмники света этого типа обладают высоким временным разрешением (постоянная времени ~ 10-11-10-10 сек). Они не требуют принудительного охлаждения и использования источников питания.
Механические (пондеромоторные) приёмники света обычно выполняются в виде крутильных весов и реагируют на давление света. Они применяются сравнительно нечасто, так как очень чувствительны к вибрациям и различным тепловым процессам.
К фотохимическим приёмникам света относятся все виды фотослоёв, используемые в современной фотографии. В отличие от тепловых и фотоэлектрических приёмников света, фотослой суммирует фотохимическое действие излучения. При этом по оптической плотности почернения слоя прямо измеряется энергия излучения.
К приёмникам света могут быть отнесены и глаза живых существ. Область спектра, в которой чувствителен глаз человека (0,4-0,8 мкм), называется видимой областью. Человеческий глаз – селективный приёмник света с максимальной чувствительностью около 555 нм. Адаптированный в темноте глаз человека имеет пороговую чувствительность ~ 10-17 Вт/с, что соответствует нескольким десяткам фотонов в 1 сек. Глаза других живых существ (млекопитающих, птиц, рыб, насекомых) отличает большое разнообразие свойств. В частности, глаза некоторых насекомых реагируют на поляризацию света.
Примечание: При подготовке данного параграфа использованы материалы из ([http://www. cultinfo. ru/fulltext/1/001/008/092/720.htm] ).
3.Краткие сведения о люксметрах
Люксметр (от латинского lux – свет и ...метр) – переносный прибор для измерения освещённости. Люксметр является одним из видов фотометров.
Простейший люксметр состоит из селенового фотоэлемента и стрелочного микроамперметра со шкалами. Фотоэлемент преобразует световую энергию в энергию электрического тока, то есть фототока. Микроамперметр служит для измерения этого фототока.
Шкала микроамперметра проградуирована в люксах. Разные шкалы соответствуют различным диапазонам измеряемой освещённости. Переход от одного диапазона к другому осуществляют с помощью переключателя, изменяющего сопротивление электрической цепи. Например, люксметр типа Ю-16 имеет 3 диапазона измерений: до 25, до 100 и до 500 лк. Ещё более высокие освещённости можно измерять, используя надеваемую на фотоэлемент светорассеивающую насадку, которая ослабляет падающее на элемент излучение в определённое число раз (постоянное в широком интервале длин волн излучения).
Кривые относительной спектральной чувствительности селенового фотоэлемента и среднего человеческого глаза неодинаковы. Поэтому показания люксметра зависят от спектрального состава излучения. Обычно приборы градуируются с лампой накаливания. Поэтому при измерении простыми люксметрами освещённости, создаваемой излучением иного спектрального состава (дневной свет, люминесцентное освещение), применяют полученные расчётом поправочные коэффициенты. Погрешность измерений такими люксметрами составляет не менее 10% от измеряемой величины.
Люксметры более высокого класса оснащаются дополнительными устройствами;
-корригирующими светофильтрами, в сочетании с которыми спектральная чувствительность фотоэлемента приближается к чувствительности глаза;
-насадкой для уменьшения ошибок при измерении освещённости, создаваемой косо падающим светом;
-контрольной приставкой для поверки чувствительности прибора.
Пространственные характеристики освещения измеряют люксметрами с насадками сферической и цилиндрической формы. Имеются модели люксметров с приспособлениями для измерения яркости.
Точность измерений лучшими люксметрами составляет порядка 1%.
Примечание: При подготовке данного параграфа использованы материалы из ([http://www. cultinfo. ru/fulltext/1/001/008/072/040.htm] ).
Основные типы люксметров охарактеризованы в табл. 1.
Таблица 1. Основные типы люксметров
№ | Наименование и тип прибора | Устройство, принцип действия |
1 | Люксметр Ю-116 | Выносной селеновый фотоэлемент с магнитоэлектрическим прибором. Сменные насадки фотоэлемента расширяют пределы измерений и корректируют угловую чувствительность. |
2 | Люксметр Ю-117 | То же с транзисторным усилителем для измерений малых освещенностей. |
3 | Люксметр Ю-15 (снят с производства) | Малогабаритный прибор с фотоэлементом, встроенным в корпус магнито-электрического прибора. |
4 | Люксметр Ю-16 (снят с производства) | Выноской селеновый фотоэлемент с магнитоэлектрическим прибором. Съемная насадка расширяет пределы измерений. |
5 | Люксметр Ю-17 (снят с производства) | Выносной селеновый фотоэлемент с магнитоэлектрическим прибором. Косинусная встроенная насадка. |
6 | Люксметр кинопроекционный ЛКП | Выносной селеновый фотоэлемент с микроамперметром. |
7 | Люксметр ЛМ-3 | Выносной селеновый фотоэлемент с микроамперметром. |
8 | Фотометр постоянных источников света ФПИ | Оптический блок прибора включает приемную часть с оптическими поглотителями и сменные насадки – свечемерную и яркомерную. Бок питания и регистрации обеспечивают измерение фототока с изменением чувствительности прибора в 10 и 100 раз. |
(Айзенберг, стр. 34).
Дополнительная литература:
1.Марков ёмники инфракрасного излучения, М., 1968.
2.Фотоэлектронные приборы, М., 1965.
3., Куренков преобразователи, М., 1970.
4.Шишловский физическая оптика, М., 1961.
5. Лазерные приёмники, пер. с англ., М., 1969.
