fotometria i kolorymetria - instytut fizykiwozniak/fotometria_pliki/fotometria_8.pdf · 2020. 5....

Fotometria i kolorymetriaDr hab. inż. Władysław Artur Woźniak, prof. uczelni

8. Właściwości odbiorników fizycznych stosowanych w fotometrii

(fotokomórki, ogniwa fotoelektryczne; fotopowielacze)

http://www.if.pwr.wroc.pl/~wozniak/Miejsce konsultacji: pokój 27 bud. A-1;

terminy: patrz strona www

Fotometria i kolorymetria Dr hab. inż. Władysław Artur Woźniak

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 jako odbiornika.



Odbiorniki fizyczne dzielimy na:

- fotoelektryczne;

- cieplne.

W zasadzie do pomiarów świetlnych można zastosować każdy odbiornik,

który wykazuje dostateczną czułość w zakresie widzialnym.

Odbiorników cieplnych (termoelementy i bolometry), fotorezystorów i

fototranzystorów używa się do pomiarów świetlnych w ograniczonym

zakresie. [CZEMU?]

Najodpowiedniejsze do pomiarów świetlnych są: fotokomórki, ogniwa

fotoelektryczne i fotopowielacze oraz w pewnym stopniu fotodiody.



Fotokomórki

Działanie fotokomórek oparte jest na zjawisku fotoelektrycznym

zewnętrznym.

2

2

00

mvWEWh k

Pod wpływem promieniowania padającego na

światłoczułą katodę uwalniają z niej elektrony,

jeśli energia kwantów światła jest większa niż

tzw. praca wyjścia (W0).

Bilans energetyczny pochłaniania fotonu:


Fotokomórki

W fotokomórkach próżniowych prąd elektryczny przy stałym natężeniu

napromienienia rośnie do 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

Zależność prądu fotoelektrycznego od napięcia anodowego jest inna dla

komórek próżniowych a inna dla gazowanych.

Charakterystyka prądowo-

napięciowa 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 prądowo-

napięciowa fotokomórki

gazowanej oraz proste

oporów.

Brak napięcia nasycenia –

zderzenie emitowanych

elektronów z jonami gazu

wytwarza dodatkowe

ładunki.


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 absorpcyjna z metalu alkalicznego,

obniżająca pracę wyjścia.

Z grupy katod wieloskładnikowych najważniejsze są: katody z tlenku

metalu alkalicznego oraz katody stopowe.


Fotokomórki

Czułość widmowa

Czułość widmowa fotokomórek z katodami z

tlenku alkalicznego

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]Cs2O,Cs Cs.

Inna często używana symbolika (np. Ag-O-

Cs) służy do oznaczania typu katody, nie

mówi jednak nic o jej warstwowej budowie.


Fotokomórki

Czułość widmowa

Katody stopowe: np. antymonowo-

cezowa [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.

Czułość widmowa fotokomórek z katodami

stopowymi

Fotokomórka bizmutowo-cezowa ([Ag]

Bi,Cs Cs) ma większy zakres czułości,

ale jej czułość całkowita jest mniejsza niż

antymonowo-cezowej.


Fotokomórki

Czułość widmowa

Katody dwuwarstwowe to kombinacja katod: stopowej i tlenkowo-

alkalicznej. 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 emisję katody czyli przez

adsorpcję 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. +50C.

Katody stopowe i z tlenku cezu można uważać za praktycznie niezależne od

temperatury w przedziale od -40 C do +50C.

Temperatura większa od +50C 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):

albo stosunek liczbowy (w %): 2

1log20s

sF

2

11100s

sF

przy czym s1 to czułość częstotliwości odniesienia f1 (przy napromienieniu

światłem modulowanym sinusoidalnie lub prostokątnie o stałej amplitudzie i stałym

udziale światła stałego).

Charakterystyka częstotliwościowa

fotokomórek gazowanych



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.



Elektroda przykrywająca musi dobrze przepuszczać światło i

równocześnie musi mieć dobrą 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 elektrodą 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.



Czułość widmowa

Krzywa czułości fotoogniwa selenowego ma wprawdzie pewne

podobieństwo do krzywej czułości oka V(), ale różnice są wciąż za duże.

Czułość widmowa fotoogniw

selenowych, krzemowych i

germanowych.

Tym niemniej, czułość ta

obejmuje cały zakres

widzialny tak, że dzięki

zastosowaniu filtrów można

osiągnąć dopasowanie do

krzywej V().



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




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



Proporcjonalność

Napięcie jałowe (co to?) fotoogniwa selenowego zależy od natężenia

oświetlenia nieliniowo, dla małych natężeń oświetlenia jest to zależność

logarytmiczna.



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.



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.



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.




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.




Zmiana w czasie prądu fotoelektrycznego ogniwa selenowego wskutek zmęczenia

przy różnych natężeniach oświetlenia:





przy różnych temperaturach:

I=1000 lx

R=1





przy różnych oporach zewnętrznych:

I=1000 lx

T=20 C





przy różnych widmowych rozkładach promieniowania padającego: achromatyczne,

niebieskie, czerwone:

I=1000 lx

T=30 C

R=1




Zależność temperaturowa prądu fotoelektrycznego ogniwa selenowego od

temperatury przy różnych natężeniach naświetlenia:

R=1




Zależność temperaturowa prądu fotoelektrycznego ogniwa selenowego od

temperatury przy różnych oporach zewnętrznych:

I=1000 lx




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%.

S= 5 mm2Zależność czułości fotoogniwa selenowego od częstotliwości:



Fotopowielacze

W fotopowielaczach wykorzystano zjawisko wtórnej emisji elektronów –

elektrony padające na metalową płytkę wyzwalają dodatkową emisję

elektronów, zależnie od ich prędkości, kąta 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 106-108).

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]-Cs2O lub [SbCs3]-Cs.


Fotopowielacze

Czułość widmowa

Widmowa czułość powielaczy (podobnie jak fotokomórek) jest zależna od

materiału fotokatody. W pomiarach świetlnych stosuje się przeważnie

katody z warstwami tlenku cezu i antymonowo-cezowe.

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 sk – 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 1A.


Fotopowielacze

Zależność od prawa kosinusa

Znowu podobnie, jak dla fotokomórek. Przed katodą wstawia się płytkę,

rozpraszającą światło.


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

+50C).


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


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

1A/cm2. 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.

fotometria i kolorymetria - instytut fizykiwozniak/fotometria_pliki/fotometria_8.pdf · 2020. 5....

Documents