В.М. Пешкова, М.И. Громова - Методы абсорбционной спектроскопии в аналитической химии (1115214), страница 57
Текст из файла (страница 57)
Явление фотоэффекта, открытое А. Г. Столетовым в 1888 г., заключается в том, что под действием света с поверхности различных тел вырываются электроны, вследствие чего данное тело приобретает заряд. Причем это явление наблюдается только при условии, если энергия светового кванта больше работы, необходимой для отрыва электрона с поверхности данного вещегтва, и сообщения ему некоторой кинетической энергии. Энергия светового кванта определяется длиной волны света Х или частотой его колебаний ел Е=-1««=Ь «/Х.
Таким образом, для каждого фоточувствительного вещества существует определенная длина волны (или соответственно частота колебания) света, называемая порогом фапюэффгкпю, при которой начинает наблюдаться фотоэффект. Фотоэлементы характеризуются спектральной чувствительностью, т. е. чувствительностью к определенным длинам волн электромагнитного излучения и интегральной чувствительностью — чувствительностью к суммарному потоку излучения сложного спектра. Спск1- ральное распределение чувствительности для различных фотоэлементов зависит от природы фоточувствительного слоя (см. рис. 75).
Кроме того, спектральная чувствительность фотоэлементов сильно зависит от теьшературы. А. Г. Столетовым было установлено, что сила фототока прямо пропорциональна интенсивности падающего на фотоэлемент излучения, хотя строгая пропорциональность существуег только для монохроматических излучений. При работе с фзтоэлементами на получение точных и воспроизводимых результатов влияет ряд факторов. $. «Старение» фотоэлементов, так как спектральная и интегральная (равная силе тока, возникающего при освещении поверхности элемента световым потоком в 1 лм) чувствительность их может со временем меняться. 2. «Утомление» (уменьшение силы фототока со временем) фотоэлементов, которое наблюдается при длительном непрерывном освещении фотоэлемента достаточно ярким светом.
Поэтому во время работы необходнмо временное прекращение облучения фотоэлемента. 3. Неодинаковость чувствительности разных участков поверхцоспи фотоэлемента. Поэтому следует осветитель настраивать так, чтобы при параллельных измерениях всегда освещался один и тот же участок говерхности фотоэлемента.
Диаметр освещаемого пятна должен быть равен примерно ! см. Иногда равномерная освещенность фотоэлементов достигается применением матовых рассеивателей. По принципу действия фотоэлементы подразделяются на: 1) фотоэлементы с запираюа1им слоем (сенптильные), 2) фотоэлементы с эпеаь 240 ни|я фотовфвк|по|и н 3) фотоэлементы с внутренним фотоэсрфвкто|н (3,51 (фотосолративлвнил), 1.
Действие фотоэлементов с запираюнп|м слоем закл|очается в том, что световой поток, падающий на поверхность полупроводника, нанесенного на железну|о пластинку и облада|ощего односторонней проводиьюстыо, возбуждает на ней движение электронов, которые не могут проникнуть в нижний слой (фронтальный фотоэффект). Если соединить верхний и нижний слои каким-либо проводником через гальванометр, можно измерить фототок, появляющийся во внешней цепи. Вентильные фотоэлементы облада|от некоторым преимуществом перед фотоэлементами с внешним фотоэффектом, так как не требует дополнительных источников питания н имеют невысокое внутреннеее сопротивление, что позволяет непосредственно подключать к ним измерительный прибор.
При непосредственном включении в цепь вентиль- ного фотоэлемента измерительного прибора необходимо, чтобы последний обладал малым внутренним сопротивлением. Из вентильных фотоэлементов наибольшее распространение получил селеновый фотоэлемент [4!. Спектральная чувствительность селенового фотоэлемента и глаза очень близки (см. рис. 75), поэтому приборы с селеновыми фотоэлементамн пригодны для работы только в видимой области спектра. Селеновые фотоэлементы получили п|ирокое распространение, так как имеют ряд положительных свойств.
Интегральная чувствительность нх достаточно велика (350 — 500 лм), что позволяет использовать гальванометры с чувствительностью !О ' — 10 г А. Селеновые фотоэлементы обладают инертностью и после включения источника освещения ток стабилен.
Чувствительность данных фотоэлементов уменьшается по прошествии года не более чем на 1%. Кроме селеновых фотоэлементов с фронтальным фотоэффектом, существу|от селеновые фотоэлементы с тыловым фотоэффектом, у которых электроны выбиваются под действием света на границе между селеном и железом. Эти фотоэлементы обладают большим внутренним сопротивлением, вследствие чего сила тока во вныпней цепи мала.
Они обладают более постоянными характеристиками. К фотоэлементам с запирающим слоем относится и меднозакисные (запирающий слой окись меди (!)), серносеребряные (запирающий слой сульфид серебра) и серноталлиевые (запирающий слой сульфнд таллия). Меднозакисный| фотоэлемент не выдерживает сравнения с селеновым из-за малой интегральной чувствительности большой зависимости его фототока от температуры. Серносеребряный и серноталлневый фотоэлементы обладают более высокой интегральной чувствительностью и могут быть использованы в более широкой спектральной области, чем селеновый фотоэлемент. Их широко используют для измерений в ближней инфракрасной области спектра. 2.
Фотоэлементы с внешним фотоэффектом представляют собой эвакуированный или газонаполненный баллон с двумя электродамн. При этом катод является светочувствительным. Выбитые из светочувствительного катода электроны устремляются к аноду, в результате чего во пенн|ей цепи возникает электрический ток. Спектральная 241 чувствительность такого фотоэлемента зависит от материала катода. Вакуумные и газонаполненные фотоэлементы имегст различные вольтамперяые характеристики 151.
Характеристика вакуумного фотоэлемента имеет вид кривой с насыщением. Зависимость фототока насыщения от интенсивности падающего излучения линейная, что и используется дпя измерения интенсивности светового потока. Вакуумные фотоэлементы обладают малой инерционностью и могут применяться в быстро действующих схемах. В газонаполненных фотоэлементах происходит некоторое усиление фототока за счет вторячных э,иектропов, выбиваемых из молекул газа. Однако газонаполиенпые фотоэлементы менее устойчивы в работе, так как при большом освещении может наступить газовый разряд фотоэлемент перестанет быть управляемым. Кроме того, эпп фотоэлементы обладают большой инерционностью и пе пригодны для Работы с прерывистым л освещением, а также онп имеют более высокий уровень шумов.
Рис 76 Схема миогокасиадиого фотоум- Характеристики фотоэлемен- иожитедя: тов с внешним фотоэффектом Х вЂ” касоа; А — аиод; ! — à — дииоды мало зависят от температуры поэтому они могут быть использованы без термостатировапня. К недостатку этих фотоэлементов относится их утомляемость, выражающаяся в уменьшении чувствительности при длительной работе. Величина фототока в данных фотоэлементах может составлять доли микроампера, поэтому требуется дополнительное его усиление. При этом усилитель фототока до.чжеп обладать большим входным сопротивлением, так как внутреннее сопротивление фотоэлементов составляет несколько сотен мегомов. Из фотоэлементов с внешним фотоэффектом наиболее распространены сурьмяно-цезпевые и кислородно-цезиевые.
Первые имеют максимум чувствительности в области 430 нм и используются для Работы в ультрафиолетовой и видимой областях спектра. Вторые являются газонаполненными и имеют два максимума чувствительности (см. Рис. 75): один в УФ-области, около 350 нм, второй в близкой ИК- области, около 800 нм. Минимум чувствительности лежит в области 500 нм. Поэтому кислородно-цезиевые фотоэлементы используют обычно для работы в ближней ИК-области. По принципу действия вакуумным фотоэлементам аналогичны фатозлекгпронньге пжноясигпели (ФЗУ) 11,51. Злектроны, вылетающие из катода под влиянием падающего (рнс. 76) излучения, попадают на промежуточньш электрод — дпнод и выбивают пз него дополнительное количество электронов, которые, попадая на следующий дипод, вызывают появление новых электронов.
Усиленный таким образом поток электронов достигает анода. При десяти каскадах н таком умножителе можно достигнуть усиления порядка миллиона. Чувствительность ФЗУ и темновой ток сильно зависят от напряжения па днподах. По- этому прп работе с фотоумножителями необходимо устанавливать оп. тимальный режим питания, который обычно указывают в паспорте ФЭУ. Зависимость анодного тока ФЭУ от интенсивности падающего излучения линейна только до определенного значения. Спектральная чувствительность ФЭУ также определяется материалом катода, которые чаще всего бывают цезиевыми или сурьямно-цезневыми. Одним из достоинств ФЭУ является также нх малая инерционность. ФЭУ заключают в светонепроницаемый экран, который одновременно служит защитой от электростатических и электромагнитных полей.
3. Действие фотосопротивлеиий основано на внутреннем фотоэффекте, при котором сопротивление полупроводника зависит от его освещения. Под действием света электроны из кристаллической решетки полупроводника переходят в свободное состояние (в зону проводимости). Изменение сопротивления обнаруживается го изменению тока в слое проводника В фотосопротивленнях используют таллофяд (смесь галлия, серы и кислорода) с мак"имумом чувствительности в области около 1 мкм, теллурид свинца с максимумом в области 4,5 мкм, селенид кадмия с максимумом в области 0,75 мкм, сульфид свинца с максимумом в области 2,4 мкм, сульфид висмута с максимумом в области 0,7 мкм Таким образом, большинство фотосопротивлений пригодно для работы в ИК-области спектра.
Только фотосопротивления из сульфида кадмия имеют максимум чувствительности в видимой области и пригодны для работы в этом участке спектра. К недостаткам фотосопротивлений относится их большая инерционность и чувствительность к изменениям температуры. Однако некоторые фотосопротивления обладают высокой чувсгвительностью, сравнимой даже с чувствительностью фотоумножителей (например, фотосопротивления из сульфида кадмия ФС-КМ) или выше чувствительности фотоэлементов (например фотосопротивления из селеннда кадмия; ФС-ДО, ФС-Д1, ФСД-Г1) 151. В качестве детекторов могут быть использованы фотодиоды и фото- триоды, максимум чувствительности которых лежит так же, как у большинства фотосопротивлений, в ИК-области.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
