w78.pdf

2011-01-15

Detekcja promieniowania.

Podstawowe pomiary

fotometryczne. Kolorymetria i

spektroradiometria

Przetworniki fotoelektryczne - wstęp

Detektory fotoelektryczne – elementy wytwarzające pod wpływem padającego na nie

promieniowania siłę elektromotoryczną (bez polaryzacji – det. czynne; wymagające zasilania –

det. bierne).

Podstawowe parametry przetworników fotoelektrycznych : względna czułość widmowa, wartości

progowe i graniczne czułości, wielkość powierzchni czynnej, parametry elektryczne, stałą

czasowa i temperaturowa, zmęczenie i zmiana właściwości wew. detektora.

Detektory dokonują pomiaru natężenia oświetlenia, które związane jest ze strumieniem

świetlnym wielkością powierzchni czynnej.

Nieoświetlony element detekcyjny charakteryzuje się tzw. prądem ciemnym , wynikającym z

termicznej emisji elektronów. Przy pracy w układzie prądu przemiennego występuje dodatkowo

prąd szumów . Zatem wartości w/w prądów muszą być mniejsze od wartości prądu, które

powoduje najmniejsza wartość wielkości mierzonej.

Podstawy Techniki Świetlnej -

zaoczne

wykład 7, 8, 9

Podział detektorów fotoelektrycznych:

a)z zewnętrznym efektem fotoelektrycznym: fotokomórki, fotopowielacze,

b)z wewnętrznym efektem fotoelektrycznym:

- bez warstwy zaporowej: fotorezystory,

- z warstwą zaporową: ogniwa fotoelektryczne (fotodiody), fototranzystory, fototyrystory,

c) detektory piroelektryczne,

d) detektory termiczne: bolometry, termopary, termostosy, detektory absolutne.

Fotokomórki

Fotokomórka wykorzystuje zewnętrzny efekt fotoelektryczny –

emisja elektronów z powierzchni metalu pod wpływem absorpcji

promieniowania (elektrony przechodzą na wyższy poziom

energetyczny, dzięki energii od strumienia świetlnego.

Emitery wykonane są z metali alkalicznych (potas, cez, lit, antymon,

bizmut, sód itp.) zaś fotokatody pokryte są tlenkami tych metali.

Anoda – cienki drut. Katoda – cylindryczna blaszka.

Fotokomórki mogą być próżniowe (ok. 10 -6 Pa) lub gazowane (argon,

krypton, hel, neon itp. o ciśnieniu 0,1 – 1 hPa), ze zjonizowanym

gazem o większej liczbie elektronów.

W układzie pracy fotokomórki istnieje rezystor zabezpieczający 1 – 10

MΩ przed wyładowaniami tlącymi, które niszczą fotokomórkę.

Oznaczenie międzynarodowe fotokatod ze względu na ich ch-ki

widmowe

S1 – tlenek cezu (bańka szklana) – czułość w czerwieni i

podczerwieni,

S11 – antymonek cezu (bańka szklana) – czułość w niebieskości,

S13 – antymonek cezu (bańka kwarcowa) – czułość w niebieskości i

nadfiolecie

Fotokomórki gazowane wykazują większe starzenie i zmęczenie w

porównaniu do próżniowych.

Zakres prądów fotoelektrycznych w funkcji natężenia

oświetlenia różnych detektorów promieniowania

Charakter przebiegu

prądów fotoelektrycznych

w funkcji strumienia

świetlnego

Ch-ki U/I: 1-pr, 2 - gaz

Fotokomórki

Fotopowielacze

Fotopowielacz – kombinacja fotokomórki próżniowej z powielaczem elektronowym. Elektrody

krotnika – wzmacniające – nazywa się dynodami (od 3 do 14). Wzmocnienie może sięgać 10 8

(iloraz anodowego prądu fot. do prądu katodowego). Czułość fotopowielacza wynosi od 2 mA/lm

do 800 A/lm. Czułość samej katody wynosi 12 – 120 μA/lm. Fotopowielacze to najczulsze obecnie

budowane przetworniki fotoelektryczne.

Ze względów konstrukcyjnych prąd fotoelektryczny nie może przekroczyć wartości granicznych,

nieprzekraczających 0,1 mA. Istnieje znaczny prąd ciemny, który eliminuje się poprzez chłodzenie

katody np.. ciekłym azotem. Czułość widmowa fotopowielaczy, zmęczenie i starzenie są podobne

jak w fotokomórkach. Charakterystyki U/I są bardzo nieliniowe przy małych oraz dużych

wartościach strumienia mierzonego.

Krzywe względnychczułości widmowych fotokomórek z katodami S1 i S13

Starzenie się Ch-ka częstotliwościowa

2011-01-15

Fotopowielacze

Ogniwa selenowa

Ogniwa selenowe – wykorzystują zjawisko

wyzwalania elektronów w półprzewodniku, pod

wpływem działania na p-p promieniowania.

Ogniwo wykonuje się poprzez nałożenie na

zmatowioną powierzchnię niklowa lub stalową o

gr. 1mm, warstwy selenu o gr. 0,08 mm. Na nią

nakłada się cienką warstwę platyny (gr. ok. 4nm)

przeźroczystą dla strumienia padającego. Na

granicy Se-Pt tworzy się warstwa zaporowa (n), a

elektrony przemieszczają się z selenu do platyny

i zbierane są poprzez pierścień z cyny.

Ogniwo selenowe charakteryzuje się dużym

zmęczeniem ; nienaświetlone wykazuje znaczny

spadek fotoprądu po poddaniu go naświetleniu

promieniowaniem o stałym natężeniu oświetlenia.

Zjawisko to nasila się dla większych długości fali.

Minimalizowanie wpływu tego zjawiska polega na

tzw. „ dogrzewaniu ” – wstępnym oświetlaniu

powierzchni ogniwa kilkuminutowym natężeniem

ośw. o bardzo dużej wartości.

Fotoprąd zmienia się w funkcji temperatury o ok. 1,5% na 1  C. Najmniejsze zmiany występują

przy temp. Ok. 15  C oraz gdy rezystancja obciążenia jest mniejsza niż 100Ω

Elementy krzemowe

Powierzchnia światłoczuła charakteryzuje się nierównomiernością czułości powierzchniowej ,

wobec tego istnieje potrzeba i konieczność oświetlania tej powierzchni w sposób równomierny.

Czułość ogniw selenowych przy świetle żarowym S = 0,5 – 0,9 mA/lm. Górna granica pomiaru

natężenia oświetlenia nie powinna przekraczać 500 lx; dopuszczalne jest chwilowe oświetlenie

natężeniem oświetlenia 1000 lx.

Ogniwo krzemowe – zasada działania

podobna jak ogniw selenowych, z tą

różnicą, że materiałem stosowanym jest w

tym przypadku wzbogacany krzem

(warstwa p – borem, warstwa n - fosforem).

Do budowy ogniw używa się krzemu monokrystalicznego o małej rezystywności – większy

fotoprąd.

Czułość ogniw zależy od grubości złącza (x). Gdy grubość maleje wówczas czułość wzrasta.

Czułość elementu krzemowego przy świetle żarowym S = 3,3 mA/lm.

Prąd ciemny i prąd szumów wynoszą kilka nA. Praktycznie nie występuje zjawisko zmęczenia.

Znaczny jest wpływ temperatury (większy niż w ogniwach selenowych) osiągający wartości 0,64

mA/K.

Oprócz fotoogniw buduje się fotodiody konwencjonalne, lawinowe, pin, fototranzystory, matryce

detektorów. Najczęściej w Polsce spotyka się fotoelementy typu BPYP 07A, BPYP 34, BPSP 34

Fotorezystory

Fotorezystory – półprzewodniki o budowie

krystalicznej, najczęściej wykonane z CdS

(siarczku kadmu) lub PbS (siarczku ołowiu).

Materiał p-p nanoszony jest na szkło w kształcie

wężownicy, metodą cienkowarstwową i

zamknięty lub zatopiony w szkle albo polimerze.

Fotorezystory wymagają polaryzacji napięciem

nie większym niż 100V. Czułość S = 20 mA/lm –

10 A/lm. Pole powierzchni czynnej wynosi od

0,5 mm 2 do 25 mm 2 .

Zmęczenie i starzenie fotorezystorów jest

zjawiskiem nie możliwym do opisania, ponieważ

zachowują się różnie w zależności od

egzemplarza.

Współczynnik temperaturowy jest mniejszy niż

1%/K i zależy od poziomu natężenia oświetlenia.

Stałe czasowe fotorezystorów CdS wynoszą

około 50 ms, zś z PbS mniej niż 1 ms.

Prąd ciemny zależy od napięcia polaryzacji, zaś

rezystancja nieoświetlonego fotorezystora wynosi

1 – 10 MΩ.

Zmiana czułości w funkcji grubości złącza Charakterystyka prądowa dla różnych R

w funkcji E

Charakterystyka prądowo-napięciowa

przy różnych rezystancjach obciążenia

Charakterystyka prądowo-napięciowa

przy różnych natężeniach oświetlenia

2011-01-15

Bolometry

Bolometry przeznaczone są do pomiaru całkowitej energii

promienistej. Są one nieselektywne w szerokim paśmie długości

fali. Podstawowym elementem bolometru jest cienka folia

platynowa w kształcie wężownicy lub matrycy płytek obardzo

małej pojemności cieplnej. Powierzchnia folii jest zaczerniona,

więc pochłaniając promieniowanie wzrasta jej temperatura, a co

za tym idzie zmienia się rezystancja folii platynowej. Zmiana

rezystancji jest miarą pochłoniętej energii promienistej.

Rezystancje mierzy się w układzie mostka Wheatston’a, gdzie

włączone są dwa bolometry lecz tylko jeden jest

napromieniowany, zaś drugi kompensuje wpływ temperatury

otoczenia.

Folia bolometru umieszczona jest zwykle w bańce szklanej lub

innej przestrzeni gdzie panuje próżnia.

Charakterystyka fotorezystora Zmiana przebiegu prądu w czasie dla światła tętniącego

Charakterystyka fotoprądu w funkcji natężenia Przykładowe ch-ki czułości fotorezystorów

oświetlenia

Termoelementy

Termoelementy (termopary) – wykorzystują powstawanie

siły elektromotorycznej przy ogrzewaniu spoiny dwóch

różnych metali ponad temperaturę zimnych końców.

W radiometrze Boys’a na cienkiej lince kwarcowej

zawieszona była pętla dwóch metali, której końce

napromieniowane były strumieniem świetlnym, przez co

powstawała siła elektromotoryczna i następował obrót pętli w

polu magnetycznym magnesu stałego. Do pętli

przymocowane było lusterko, które wykonywało obrót zgodny

z wychyleniem kątowym pętli.

W nowych rozwiązaniach wykorzystuje się termostosy. W

zależności od konstrukcji złącz pasywnych wyróżnia się 3

grupy. Złącza aktywne są zawsze poczernione i poddawane

napromienieniu.

II grupa – złącza pasywne nie są

napromieniowane i połączone są z

masywnym korpusem przyrządu. W i

i II grupie poszczególne przewody

połączone są lutowaniem lub

spawaniem i są bardzo wrażliwe na

urazy mechaniczne.

W termostosie Molla przyrost temp. pomiędzy aktywnymi i

pasywnymi złączami sięga 30 K. Stała czasowa wynosi kilka

sekund. Czułość termostosu wynosi ok. 11,3 µV/(W/m 2 ).

III grupa – to termostosy galwaniczne, w których poczernione

są wszystkie złącza ale napromieniowane tylko aktywne.

Czułość termostosu z karkasem z tworzyw sztucznych wynosi

11 µV/(W/m2) przy stałej czasowej 8,5 s, zaś z karkasem

aluminiowym – 3,6 µV/(W/m2) i stałą czasową 2,5s.

Przetworniki oparte na termostosach używa się w

spektrofotometrii oraz aktynometrii. Liczba spoin dochodzi do

120. Nowe termostosy wykonuje się technologią

cienkowarstwową z antymonu i bizmutu domieszkowanego

antymonem.

Termostosy kompensacyjne maja 2x20 elementów

rozmieszczonych symetrycznie względem płytki głównej, a ich

czułość wynosi 15,7 µV/(W/m2), powierzchnia aktywna ma

kształt koła o śr. 10 mm.

Termostos galwaniczny

I grupa – złącza pasywne sa napromieniowane ale

przytwierdzone do białej powierzchni. Złącza aktywne

znajdują się pod czarnymi powierzchniami. Powierzchnie

czarne nagrzewają się bardziej niż białe – pochłaniają 95%

energii. Białe powierzchnie odbijają 95% prom.

krótkofalowego. Termostosoy musza być co roku

wzorcowane ze względu na degradację białych powierzchni.

Czułość termostosów wynosi zwykle ok. 3 – 16 µV/(W/m 2 ).

Termostos Molla

Detektory piroelektryczne

Detektory piroelektryczne – detektory cieplne, w których padające promieniowanie jest

pochłanianie, przez co zwiększa się ich temperatura, mierzona kryształem o właściwościach

piroelektrycznych. Mierzalna jest temp. ok. 0,1 °C.

Budowa opiera się na konstrukcji kondensatora, gdzie jedna okładka jest absorberem

wykonanym z czarnego złota lub czerni organicznej. Dielektrykiem w tym kondensatorze jest

kryształ tantalu litu LiTaO 3 . W zamkniętej obudowie znajduje się dodatkowo rezystor

wysokoomowy oraz wzmacniacz sygnału. Detektory te są czułe na wszystkie rodzaje

promieniowania optycznego: od rentgenowskiego po daleką podczerwień (zależy od pokrycia

absorbera i okienka wejściowego).

Promieniowania padające musi być modulowane od 0,1 do 10 Hz, skrajnie 5 kHz. Dla małych

częstotliwości czas stabilizacji trwa kilka minut.

Detektory piroelektryczne są czułe na zmiany temperatury, więc należy je izolować termicznie

lub łączyć w układy kompensacyjne. Czułość wynosi ok. 1200 V/W. Przedział temp. pracy: od

55 °C do 125°C, ale zaleca się powolne zmiany temp. nie większe niż 5 °C/min.

Detektory piroelektryczne stosuje się w pirometrii zdalnej, fotometrii, radiometrii. Szczególnie

istotne sa pomiary w fotometrii impulsowej do pomiaru nanosekundowych impulsów laserowych.

Detektory absolutne

Detektor absolutny – detektor

cieplny, w którym system detekcyjny

podgrzewany jest mierzonym

promieniowaniem, a następnie

symuluje się identyczne grzanie

metodą elektryczną (oporową).

Dostarczona moc elektryczna jest

odpowiednikiem mocy promienistej

1 – warstwa absorbująca wykonana z czarnego złota lub srebra, 2 – warstwa grzewcza o gr.

0,05 μm o rezystancji ok. 250 Ω (czyste złoto lub srebro), 3 – srebrny wyrównywacz termiczny

o gr. 0,1 μm, 5,6 – 24 elementowy termostos, w którym aktywne końce znajdują się pod

wyrównywaczem termicznym, zaś końce pasywne na podłożu szklanym 7, 4 – warstwa folii

acetoceluloidowej do izolacji poszczególnych warstw względem siebie

Dane techniczne wybranego detektora absolutnego :

- średnica czuła na promieniowanie 10 mm,

- rezystancja termostosu ok.. 140 Ω,

- czułość 20 – 500 mV/(W/m 2 ),

- stała czasowa 0,1 – 20 s,

- zakres widmowy 0,2 – 15 μm,

- dokładność pomiarowa nie większa niż 2%, zwykle błędy są mniejsze niż 1%.

2011-01-15

ZAGADKA

Dlaczego kobiety są bardziej atrakcyjne od

facetów?

Pomiary światłości

Pomiary fotometryczne





[

]

-Zgodnie z definicją dla punktowego źródła światła







-Średnia światłość dla skończonych wartości kąta przestrzennego



[

]

1. Pomiary światłości

2. Pomiary strumienia świetlnego

3. Pomiary luminancji

4. Pomiary natężenia oświetlenia

5. Pomiary współczynników materiałowych

(odbicie, przepuszczanie, pochłanianie,

wskaźnikowa rozpraszania)

śr





2 ]

[

-Natężenie ośw. w odl. r od źródła na prostopadłej płaszczyźnie









-Światłość związana z natężeniem oświetlenia na powierzchni

odległej o r od mierzonego źródła



Fotometria ogólna zajmuje się pomiarami światła pozornie achromatycznego, wobec

tego przy wyznaczaniu cech materiałowych należy podawać informację, dla jakiego

rodzaju światła wyznaczono dany współczynnik

Urządzenie do badania światłości źródeł i opraw nazywa się goniometrem (źródło ma

możliwość obrotu w 2 płaszczyznach, których osie muszą przecinać się w środku

świetlnym źródła) lub fotometrem (detektor znajduje się w stałej odległości względem

środka świetlnego badanego źródła światła).

Do pomiaru światłości używa się takich samych głowic jak do pomiaru natężenia

oświetlenia.

Inny sposób pomiaru światłości polega na rozmieszczeniu w całym laboratorium matrycy

detektorów i jednoczesnym odczycie sygnału i natychmiastowym uzyskaniu bryły

światłości.

Do pomiaru opraw o znacznych wymiarach stosuje się fotometry wielkopowierzchniowe,

które mierzą wiązkę skolimowaną poprzez półkulę całkującą i kanały świetlne (gęsty

raster niwelujący nierównomierność luminancji oprawy lub źródła).

Rys. Goniometryczne układy do pomiaru krzywych światłości

Minimalna odległość fotometrowania, przy której błąd wywołany niedostateczną odległością

fotometrowania jest mniejszy niż 1%, powinna być większa 5x od maksymalnego rozmiaru

elementu świecącego (gdy źródło nie posiada układu wzmacniającego) lub 200x od ogniskowej

źródła ze wzmacniającym układem optycznym.

Wyniki pomiarów światłości przedstawia się w formie tabelarycznej lub jako krzywe i bryły

światłości.

2011-01-15

Pomiary strumienia świetlnego

Wyznaczenie strumienia świetlnego polega na pomiarze gęstości widmowej strumienia

energetycznego w zadanym przedziale widmowym. W praktyce strumień świetlny wyznacza

się na podstawie bryły fotometrycznej światłości









K e



[

]

Strumień świetlny wyliczany na podstawie gęstości

widmowej strumienia energetycznego przy czym

K m = 683 lm/W

Strumień świetlny wyliczany z bryły światłości











 









sin



















sin



Strumień świetlny gdy bryła światłości jest

obrotowo-symetryczna



Badanie strumienia świetlnego przeprowadza się również za pomocą lumenomierzy

przestrzennych (najczęściej kulistych Ulbrichta) metodą porównawczą ze źródłem wzorcowym.

Lumenomierz taki musi zapewniać: stałość wsp. odbicia powierzchni wewnętrznej, rodzaj

odbicia lambertowski, przesłony powinny przesłaniać tylko badane źródło, źródło oraz

elementy dodatkowe nie mogą pochłaniać i odbijać strumienia świetlnego, badane i wzorcowe

źródło powinno być podobne do siebie pod względem kształtu bryły fotometrycznej, wymiarów

geometrycznych oraz barwy emitowanego promieniowania.

Warunki pomiarowe nie są zwykle spełniane, stąd

różnice i błędy pomiarowe.

W celu uzyskania rozpraszającej i nieselektywnej

powierzchni lumenomierza należy stosować

odpowiednie farby (specjalne receptury i

technologie wykonania oraz nanoszenia).

Przesłona powinna być usytuowana optymalnie

względem źródła i detektora ok. 0,6-0,7R od

detektora.

Ze względu na pochłanianie strumienia świetlnego

przez dodatkowe elementy w lumenomierzu,

należy stosować pomocnicze źródło światła i

wykonać dodatkowe pomiary.









E w – natężenie oświetlenia w okienku

pomiarowym przy wzorcowym źródle światła

E x – natężenie oświetlenia przy badanym

źródle światła

F w – strumień świetlny wzorca

Do pomiarów luminancji wykorzystuje się obiektywne mierniki luminancji

Pomiary luminancji



















cos





cos







EdS



cos















cos



cos

























cos



cos



cos





cos



(



)











Zmniejszenie kąta fotometrowania (zmniejszenie średnicy d) powoduje zmniejszenie

fotoprądu.



cos(







)

(



)

sin



f( e) – funkcja wskaźnikowej rozpraszania

światłości dla elementu powierzchni ds.

określona zależnością I a = I o f( e )

Pomiar luminancji próbki rozpraszającej równomiernie sprowadza się do określenia

natężenia oświetlenia na próbce o znanym współczynniku odbicia r .

Pomiar luminancji próbki o rozpraszaniu kierunkowym wyznacza się z pewnym

przybliżeniem.

Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

Inne foldery tego chomika: