Wykad 8

Fotometria i kolorymetria

Dr 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

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.

Fotometria i kolorymetria

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.

Fotometria i kolorymetria

Fotokomórki

Działanie fotokomórek oparte jest na zjawisku fotoelektrycznym

zewnętrznym.

2

mv

W

E

W

h











Pod wpływem promieniowania padającego na światłoczułą katodę uwalniają z niej elektrony, jeśli energia kwantów światła jest większa niż tzw. praca wyjścia (W₀).

Fotometria i kolorymetria

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.

Fotometria i kolorymetria

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).

Fotometria i kolorymetria

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.

Fotometria i kolorymetria

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.

Fotometria i kolorymetria

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

Fotometria i kolorymetria

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.

Fotometria i kolorymetria

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.

Fotometria i kolorymetria

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).

Fotometria i kolorymetria

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

Fotometria i kolorymetria

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;

Fotometria i kolorymetria

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.

Fotometria i kolorymetria

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. +50C.

Katody stopowe i z tlenku cezu można uważać za praktycznie niezależne od temperatury w przedziale od -40 C do +50C.

Temperatura większa od +50C powoduje nieodwracalne zmiany warstw

katod wieloskładnikowych lub nawet ich zniszczenie.

Zmiany temperatury wpływają nie tylko na zmiany całkowitej czułości, ale również na czułość widmową.

Fotometria i kolorymetria

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

1

log

20

s

s

F



















1

100

s

s

F

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

Fotometria i kolorymetria

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,

Fotometria i kolorymetria

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.

Fotometria i kolorymetria

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

Fotometria i kolorymetria

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

Fotometria i kolorymetria

Czułość całkowita

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.

Fotometria i kolorymetria

Proporcjonalność

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

oświetlenia nieliniowo, dla małych natężeń oświetlenia jest to zależność logarytmiczna.

Fotometria i kolorymetria

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.

Fotometria i kolorymetria

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

Fotometria i kolorymetria

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.

Fotometria i kolorymetria

Stałość miejscowa i czasowa

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.

Fotometria i kolorymetria

Stałość miejscowa i czasowa

Zmiana w czasie prądu fotoelektrycznego ogniwa selenowego wskutek zmęczenia przy różnych natężeniach oświetlenia:

Fotometria i kolorymetria

Stałość miejscowa i czasowa

Zmiana w czasie prądu fotoelektrycznego ogniwa selenowego wskutek zmęczenia przy różnych temperaturach:

I=1000 lx R=1 

Fotometria i kolorymetria

Stałość miejscowa i czasowa

Zmiana w czasie prądu fotoelektrycznego ogniwa selenowego wskutek zmęczenia przy różnych oporach zewnętrznych:

I=1000 lx T=20 C

Fotometria i kolorymetria

Stałość miejscowa i czasowa

Zmiana w czasie prądu fotoelektrycznego ogniwa selenowego wskutek zmęczenia przy różnych widmowych rozkładach promieniowania padającego: achromatyczne, niebieskie, czerwone:

I=1000 lx T=30 C R=1 

Fotometria i kolorymetria

Zależność od temperatury

Zależność temperaturowa prądu fotoelektrycznego ogniwa selenowego od temperatury przy różnych natężeniach naświetlenia:

Fotometria i kolorymetria

Zależność od temperatury

Zależność temperaturowa prądu fotoelektrycznego ogniwa selenowego od temperatury przy różnych oporach zewnętrznych:

Fotometria i kolorymetria

Zależność od częstotliwości

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 mm2

Fotometria i kolorymetria

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.

Fotometria i kolorymetria

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:

Czułość całkowita

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 s_k – 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.

Fotometria i kolorymetria

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.

Fotometria i kolorymetria

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 1A.

Fotometria i kolorymetria

Zależność od prawa kosinusa

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

Zależność od temperatury

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

+50C).

Zależność od częstotliwości

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).

Fotometria i kolorymetria

Stałość miejscowa i czasowa

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

1A/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.