Устройство приборов и методика эксперимента.

В данной работе измерения выполняются с помощью спектрофотометра СФ–26, который позволяет измерять коэффициент пропускания, оптическую плотность, как твердых, так и жидких образцов в зависимости от длины волны. В качестве источника света используется осветитель с лампой накаливания, имеющей непрерывный спектр излучения. Для получения монохроматического света определенного состава используется дифракционная решетка, которая выделяет свет в некотором диапазоне длин волн.

Для обеспечения работы спектрофотометра в широком диапазоне спектра используются два фотоэлемента и два источника излучения сплошного спектра. Сурьмяно-цезиевый фотоэлемент с окном из кварцевого стекла применяется для измерений в области спектра от 186 до 650 нм, кислородно-цезиевый фотоэлемент - для измерений в области спектра от 600 до 1100 нм. Длина волны, при которой следует переходить от измерений с одним фотоэлементом к измерениям с другим фотоэлементом, указывается в паспорте спектрофотометра.

Дейтериевая лампа предназначается для работы в области спектра от 186 до 350 нм, лампа накаливания - для работы в области спектра с 340 до 1100 нм. Для проверки градуировки используется ртутно-гелиевая лампа. Сигнал с фотоприемника поступает на вход усилителя. Шкалы переключаются с помощью переключателя В1 и подобраны так, что при переключении из положения “х1” в положение “х0.1” показания прибора изменяются в 10 раз, при переключении из положения КАЛИБР в положение “х0.01” - в 100 раз.

Для повышения точности отсчета при измерении образцов, мало отличающихся друг от друга по пропусканию, в спектрофотометре предусмотрена возможность включения компенсирующего напряжения. Изменение напряжения компенсации происходит дискретно с помощью переключателя В2. В положении “х1” переключателя В1 компенсируется любое показание измерительного прибора, больше 10 делений шкалы. В положении КАЛИБР переключателя В1 компенсируются показания прибора в пределах 1--10 делений шкалы. В результате измерения прозрачности образца Т(%) в диапазоне 0.4-1.2 мкм получим спектральную зависимость пропускания.

Порядок выполнения работы

Перед выполнением лабораторной работы необходимо ознакомиться с инструкцией по технике безопасности в учебной лаборатории.

Приступая к выполнению работы необходимо:

1) Ознакомиться с описанием спектрофотометра.

2) Установить кювету с водой в специальном держателе спектрофотометра.

3) Произвести измерения прозрачности образца Т(%) в диапазоне 0.2-1.2 мкм.

4) Построить график зависимости прозрачности образца Т(%) от длины волны l..

5) Рассчитать спектральную зависимость коэффициента поглощения воды и построить ее график.

Литература

1. Степаненко И.П. Основы микроэлектроники: Учеб. пособ. для вузов. 2-е изд. - М.: Лаборатория Базовых знаний, 2000.- 488с.

2. Итоги науки и техники. Серия Электроника, т.16, Москва, 1984.

3. Раков А.В. “Спектрофотометрия тонкопленочных полупроводниковых структур”, М., “Советское радио”, 1975.

4. Cванбаев Е.А. Диэлектрические параметры адсорбированной воды. Вестник КазНУ, сер. , физическая, 2005 г., №2(20), с 99-101.

5. Cванбаев Е.А. Исследование диэлектрических параметров воды на начальных стадиях формирования фазы. Тез. докл. 4-й международной конф. “Современные достижения физики и фундаментальное физическое образование”, Алматы, 5-7 окт 2005 г., с 78

Лабораторная работа № 2

Вакуумные ФОТОПРИЕМНИКИ

Цель работы:

Исследование харктеристик вакуумных фотоприемников.

Приборы и принадлежности:

Спектрофотометр СФ-26

2.1 Классификация и технические характеристики фотодетекторов

Фотоприемники предназначены для преобразования оптического сигнала в электрический. Они называются также фотодетекторами, так как осуществляют детектирование оптического сигнала, т.е. его демодуляцию. Фотоприемник является первым и основным элементом системы демодуляции и обработки оптического сигнала. Все фотоприемники по принципу действия можно разделите на две
большие группы: тепловые и фотонные. В свою очередь фотонные приемники подразделяют на фотодетекторы, основанные на:

а) внешнем фотоэффекте (фотоэлектронные умножители и вакуумные фотоэлементы, электронно-оптические преобразователи);

б) внутреннем фотоэффекте (фоторезисторы, фотодиоды, фототранзисторы, фототиристоры и т. п.).

Для определения технических возможностей конкретного фотоприемника используются следующие характеристики.

1. Спектральная (монохроматическая) чувствительность - мера реакции фотоприемника на оптическое излучение с длиной волны (l) Для тепловых приемников (болометров) чувствительность не зависит от длины волны, а для фотонных приемников существует максимальная длина волны (красная граница) l_m выше которой энергии фотона Е = hc / l недостаточно для возникновения фотоэффекта. На рис.1 представлены спектральные характеристики идеализированного теплового и фотонного приемников.

2. Интегральная чувствительность S - мера реакции фотоприемника на световой поток Ф заданного спектрального состава. Для идеального теплового приемника S не зависит от спектра. Для реальных фотоприемников величина S зависит от спектра регистрируемого света. Наиболее часто в качестве эталонного светового потока для определения S используют излучение абсолютно черного тела с заданной температурой или излучение эталонной лампы накаливания с вольфрамовой нитью. Если температура нити накала равна 2850 К, то такой режим принято называть режим А.

Рисунок 1 - Спектральная зависимость фоточувствительности некоторых вакуумных фотокатодов

Наименьшую чувствительность в визуальной области имеет катод типа S1 (обозначение по ГОСТу С1). Это серебряно-кислородно-цезиевый катод. Он обладает двумя замечательными особенностями. Во-первых, это исторически первый из катодов, применяющихся в фотоумножителях. Во-вторых, хотя у этого катода невысокая относительная чувствительность в видимой области, зато зона его спектральной чувствительности простирается до l = 1200 нм, т.е. он работает в ближней инфракрасной области.

Фотоумножитель с катодом типа S11 (обозначение по ГОСТу С6) это сурьмяно-цезиевый катод. В области около l = 400 нм он имеет в 20 раз больший квантовый выход, по сравнению с катодом типа S1. О на длине волны примерно l = 650 нм чувствительность этого катода падает практически до нуля. Именно этим спадом чувствительности определялись положение и форма длинноволновой границы спектральной полосы V у Джонсона. Фотокатод типа S20 (обозначение по ГОСТу С11), называемый мультищелочным. В его состав входит Sb(Na₂K), с адсорбированным слоем цезия на поверхности. Эти катоды обладают рядом бесспорных преимуществ и сейчас наиболее употребительны в звездной фотометрии. Их чувствительность с длинноволновой стороны простирается до l = 900 нм. Именно с катодом такого типа строится полоса R фотометрической системы WBVR, употребляемой в Тянь-Шаньской обсерватории. Чувствительность его в максимуме несколько выше, чем у сурьмяно-цезиевого.

Катод, состоящий из арсенида галлия, представляют заметный интерес для звездной фотометрии, хотя недостаточно распространены. Арсенид-галлиевые катоды являются непрозрачными, и фотоумножитель конструируется с учетом того, что фотоэлектроны выходят с той же стороны, с которой падает свет. Эти фотокатоды отличаются высоким квантовым выходом в красной и ближней инфракрасной областях. Некоторые типы арсенид-галлиевых катодов имеют в максимуме спектральной чувствительности квантовый выход, достигающий 50%.

Одной из важных характеристик любого фотоприемника является минимально различимый сигнал Ф_min - та величина светового потока, измеряемая в [Вт], которая на выходе фотоприемника создает сигнал, равный шуму. Так как интенсивность белого шума пропорциональна корню квадратному из полосы пропускания f усилительного тракта, то вводят следующую характеристику. Эквивалентная мощность шума NEP (Noise Equivalent Power) - величина светового потока, которая на выходе фотоприемника в единичной
полосе частот вызывает сигнал, равный шуму: Обнаружительная способность D обратно пропорциональна эквивалентной мощности шума.

Эта величина зависит от площади приемника А, так как шум пропорционален A. Детектирующая способность D*, называемая также нормированной обнаружительной способностью. Это наиболее объективная и важная характеристика фотодетектора данного типа, поскольку она не зависит от его площади и полосы частот усилителя.

Способность фотоприемника без искажения регистрировать быстрые изменения интенсивности светового потока зависит от его инерционности. Инерционность характеризуется граничной частотой f_mах, при которой чувствительность фотоприемника падает в заданное число раз (обычно в 2 или е раз), или постоянной времени.

Принцип действия тепловых фотоприемников основан на регистрации изменения свойств материала при изменении его температуры вследствие поглощения оптического излучения. Существуют различные типы тепловых фотоприемников, основанных на различных эффектах. Среди них наиболее
распространены:

а) болометры, использующие изменение сопротивления тонкой металлической, полупроводниковой или сверхпроводящей пленки;

б) термоэлектрические детекторы типа термопар или термостолбиков, использующие эффект возникновения термо ЭДС на контактах двух металлов;

в) пироэлектрические приемники, основанные на пироэлектрическом эффекте, в том числе в ферроэлектрических кристаллах вблизи температуры Кюри;

г) оптико-акустические приемники (ОАП), называемые иногда пневматическими ИК-детекторами или элементами Голея, использующие периодическое расширение и сжатие газа при его нагреве от промодулированного по амплитуде оптического излучения, поглощаемого тонкой мембраной. Инерционность тепловых приемников велика (> 10 мс), а чувствительность сравнительно низка. Поэтому в системах передачи информации они не используются. Тепловые приемники применяются там, где необходимо обеспечить постоянство спектральной чувствительности, а также в
далекой ИК-области спектра.

Фотонные приемники эффективно работают в той области спектра, где энергия фотона существенно превышает kT. В случае, когда тепловая энергия сравнима или превышает энергию фотона, тепловое возбуждение действует активнее оптического и эффективность фотонного приемника резко падает. Поэтому фотонные приемники, предназначенные для работы в области >=3мкм, как правило, требуют охлаждения тем более глубокого, чем больше рабочая длина волны.

Пусть на верхней границе земной атмосферы мы имеем распределение энергии в спектре некоторой звезды E(l) . Эта энергия воздействует на нашу аппаратуру (телескоп + фотометр), имеющую инструментальные кривые реакции T_i (l) нескольких (с номерами i ) фотометрических полос. За границей атмосферы в каждой i -й полосе отклик прибора

(1)

где l ₁ и l₂ - границы пропускания данной спектральной полосы, а k_i- коэффициент пропорциональности, зависящий от конкретного экземпляра аппаратуры.

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском по сайту: