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 n = j₀ + m ₀ V ²/2, (II.20)

где h n - энергия кванта света с частотой n; m ₀ и V - масса и скорость выбиваемого фотоэлектрона; j₀ - 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 n = j₀, 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 10⁵ 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 s, то общий коэффициент усиления равен s 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.

1. Фотоэлектрическая регистрация позволяет регистрировать значительно меньшие световые потоки.

2. Точность фотоэлектрической регистрации спектра значительно выше, чем при фотографической.

3. Фотоэлектрическая регистрация намного более экспрессна.

4. 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.

Дата добавления: 2015-07-11