< Попер   ЗМІСТ   Наст >

Квантові детектори

Розглянемо класичні приклади квантових фотодетекторів, принцип дії яких полягає в перетворенні енергії оптичного випромінювання в електричну внаслідок внутрішнього (фотодіоди) або зовнішнього (фотоелектронні помножувачі) фотоефекту.

Фотодіод

Фотодіод – це тип фотодетектора, здатний перетворювати світло в електричний струм або напругу. Напівпровідниковий діод, зміна стану якого під впливом потоку оптичного випромінювання використовується для оцінювання цього випромінювання, називається напівпровідниковим фотодіодом. В основі приладу лежить реєстрація збільшення електропровідності напівпровідника під дією електромагнітного випромінювання. Фотони світла “виривають” електрони з валентної зони та переносять їх у зону провідності (рис. 12.10).

Внаслідок цього збільшується кількість електронів провідності та дірок. Повний струм через фотодіод пропорційний потоку оптичного випромінювання.

Фотоелектронний помножувач

Принцип дії фотоелектронних помножувачів полягає в перетворенні енергії оптичного вимірювання в електричну внаслідок зовнішнього фотоефекту. Фотоелектронний помножувач складається із фотокатода, що має світлочутливу поверхню, серії додаткових електродів (дінодів) та анода. Всі ці електроди, до яких

Напівпровідниковий діод

Рис. 12.10. Напівпровідниковий діод

прикладається висока напруга, розміщені в циліндричній скляній колбі, в якій створено вакуум (рис. 12.11).

Фотоелектронний помножувач

Рис. 12.11. Фотоелектронний помножувач

Під впливом світла з фотокатода вириваються електрони, які в свою чергу вибивають вторинні електрони з поверхні дінодів завдяки вторинній електронній емісії.

Фотоелектронні помножувачі характеризуються високим підсиленням слабких сигналів (до 108), низьким рівнем шуму, високою чутливістю в ультрафіолетовій, видимій та близькій інфрачервоній областях спектра.

Фотометри

Фотометр – прилад для вимірювання таких фотометричних величин як освітленість, сила світла, світловий потік, яскравість тощо.

Фотометр, призначений для вимірювання освітленості в люксах, називається люксметром. Складається люксметр з селенового фотоелемента, який перетворює оптичне випромінювання в електричний сигнал, що реєструється приймачем випромінювання. Крім того, люксметр може містити лінзи, світлорозсіюючі насадки, аттенюатори світла, діафрагми, світлофільтри. Завдяки світлофільтрам спектральна чутливість фотоелемента наближається до чутливості людського ока.

Спеціалізовані оцінки випромінювання

У біології серед деяких специфічних фотохімічних процесів, таких як фотосинтез, завдяки якому відбувається перетворення світлової енергії в хімічну, або транспірація, що супроводжується втратою водяної пари рослиною, оптичне випромінювання видимої області спектрам (400-700 нм) відіграє основну роль. Випромінювання цієї області спектра називається фотосинтетично активним випромінюванням (ФАВ). Для оцінювання цього випромінювання вимірюють повну кількість фотонів, отриманих чи поглинутих у певній спектральній області, або загальну енергію випромінювання.

Кількість отриманих фотонів вимірюється в ейнилтейнах (символ Е). Енергія одного моля фотонів дорівнює:

(12.2)

де – число Авогадро (6,023• 1023 моль-1); – енергія одного фотона, Дж.

Для оцінювання співвідношення оптичного випромінювання з фотосинтетичною активністю рослин використовують густину потоку фотосинтетичних фотонів (ТПФФ), що має одиницю вимірювання мкЕ•м-2•c-1 або мкмоль м-2•c-1. Таким чином, 1 мкЕ = = 1 мкЕ•м-2•c-1 відповідає 6,022•1017 фотонів, що падають на площу 1 м2 за 1 с. У табл. 12.1 наведено співвідношення між одиницями оптичного випромінювання, що вимірюється у природних умовах.

12.1. Співвідношення між мкЕ•м-2•c-1, Вт/м2 та лк

Е, мкЕ•м-2•c-1

Е, Вт/м2

Е, лк

10000

2500

595238

5000

1250

297619

3000

750

178571

2500

625

148809

2000

500

119047

1500

375

89285

1000

250

59523

500

125

29761

Квантовий сенсор для вимірювання фотосинтетичного випромінювання складається з кремнієвого фотодіода, набору кольорових скляних фільтрів та інтерференційного фільтра (рис. 12.12).

Квантовий сенсор для вимірювання фотосинтетичного випромінювання

Рис. 12.12. Квантовий сенсор для вимірювання фотосинтетичного випромінювання

За допомогою цих фільтрів формується крива спектральної чутливості сенсора, яка нагадує типовий спектральний відгук рослин (рис. 12.13).

Крива спектральної чутливості ідеального сенсора та типовий спектральний відгук рослин

Рис. 12.13. Крива спектральної чутливості ідеального сенсора та типовий спектральний відгук рослин

 
< Попер   ЗМІСТ   Наст >