Детекторы оптического излучения

Приемники оптического излучения - устройства, предназначенные для обнаружения или измерения оптического излучения и основанные на преобразовании энергии излучения в другие виды энергии (тепловую, механическую, электрическую и т. д.), более удобные для непосредственного измерения. В спектрометрах для атомной спектроскопии используются исключительно фотоэлектронные преобразователи. Детекторы излучения, используемые в ультрафиолетовой и видимой областях спектра, делятся на две категории: те, которые дают пространственно разрешение, и те, которые его не дают. Человеческий глаз является примером первого типа детекторов; фотоэлемент является примером второго типа. Когда используется первый или второй тип детекторов с одним из селекторов частоты, описанных в предыдущем разделе, это различие выражается соответственно в возможности или невозможности обнаружить одновременно более чем один участок спектра. Например, фотографическая пленка дает пространственное разрешение, т. е. когда ее используют в качестве детектора для полихроматора, она способна одновременно регистрировать несколько участков спектра в широком интервале длин волн. Другие же детекторы, так же, как и фотоумножители, не дают пространственного разрешения, поэтому их лучше использовать со светофильтром, монохроматором или в качестве одного из нескольких отдельных детекторов в спектрометре.

Детекторы различаются по своей чувствительности, линейности, области спектральной чувствительности, времени срабатывания и стоимости. В идеальном случае каждый детектор должен обладать высокой чувствительностью и линейно реагировать на мощность потока падающего на него излучения. Кроме того, он должен быть чувствительным в равной степени ко всем частотам спектра и быстро срабатывать на изменение уровня падающего излучения. Характеристики основных типов приемников электромагнитного излучения приведены в табл. 2.

 

 

В число детекторов включен и человеческий глаз. Хотя человеческий глаз принадлежит к неселективным детекторам, его часто используют при относительно простых качественных определениях (например, при помощи стилоскопа).

Однако фактически все ранние наблюдения многих важных спектроскопических явлений были проделаны с использованием в качестве детектора человеческого глаза. Примером является открытие Фраунгофером темных линий в солнечном спектре, наблюдение которых привело в дальнейшем к современному аналитическому методу – атомно-абсорбционной спектрометрии.

4.3.1. Фотоэффект

Такие детекторы, как фотоумножитель и вакуумный фотоэлемент, являются превосходными приемниками оптического излучения. Они широко применяются во многих спектральных приборах. Принцип действия вакуумного фотоэлемента и фотоэлектронного умножителя (ФЭУ) основан на явлении фотоэлектронной эмиссии. Фотоэлектронная эмиссия (внешний фотоэффект) – испускание электронов твѐрдыми телами или жидкостями под действием электромагнитногоизлучения в вакуум или другую среду. Практическое значение имеет фотоэлектронная эмиссия из твѐрдых тел в вакуум, которая была открыта в 1887 г. Герцем.

Ниже приведены основные законы фотоэффекта: 1) Количество эмитируемых электронов (величина фототока) пропорционально интенсивности падающего излучения. 2) Для каждого вещества при определенном состоянии его поверхности, обусловливающем его работу выхода, существует длинноволновая граница фотоэффекта λ0, за которой (при λ > λ0) фотоэффект не наблюдается. Длинноволновой границе λ0 соответствует пороговая энергия фотонов hν0 (hν0 =c/λ0). Величина hν0 называется работой выхода электрона. 3) Максимальная кинетическая энергия фотоэлектронов Ee линейно возрастает с частотой ν падающего излучения и не зависит от его интенсивности: Ee = hν - hν0. Для применения фотоэлектронной эмиссии в приемниках важнейшее значение имеют два первых закона. Первый закон устанавливает линейность величины фототока и интенсивности падающего излучения. Поскольку интенсивность спектральной линии линейно связана с концентрацией излучающих частиц, аналитический сигнал – фототок также будет связан линейной функцией с концентрацией. Вторым законом определяется материал, который может служить фотокатодом. Очевидно, что для охвата всего оптического диапазона необходимо использовать металл, имеющий минимальную работу выхода электрона. Ниже приведены значения hν0 (в эВ) для некоторых элементов:

Можно видеть, что низкие значения работы выхода электрона характер-

ны для щелочных металлов, и прежде всего – для цезия. Поэтому фотокатоды для всех фотоэлементов и ФЭУ, работающих в оптической области, изготавливаются из цезия, в который вводятся специальные легирующие добавки (Sb, As, O, Ag и др.) для увеличения квантового выхода (число фотоэлектронов, испускаемых при поглощении одного кванта) и расширения спектральной области приемника.

Фотоэлемент

В вакуумном фотоэлементе (рис. 19) излучение проникает через прозрачное окно и падает на фоточувствительную поверхность (фотокатод). Выбитые в результате этого электроны (фотоэлектроны) направляются в вакууме к положительно заряженному аноду, и в цепи возникает ток. Величина фототока указывает на число выбитых фотоэлектронов и пропорциональна мощности падающего излучения.

 

Фотоэлектронный умножитель

Фотоэлектронный умножитель (ФЭУ) – это электронный прибор, в котором ток, возникающий при облучении фотокатода, усиливается с помощью

вторичной электронной эмиссии. Он состоит из фотокатода, эмитирующего поток электронов под действием оптического излучения, динодной умножительной системы, обеспечивающей умножение электронов в результате вторичной электронной эмиссии, и анода - коллектора вторичных электронов (рис. 20).

 

 

Фотоэлектрон, выбитый из фотокатода, направляется к первому диноду, напряжение на котором более положительно (приблизительно 100 В). Диноды покрыты материалом, испускающим под действием электронного удара вторичные электроны (эффект вторичной электронной эмиссии). Когда фотоэлектрон (который сильно ускоряется за счет положительного напряжения) попадает на поверхность динода, то несколько вторичных электронов (от 1 до 6) выбиваются из динода. Эти электроны затем устремляются ко второму, третьему, четвертому динодам и т.д., напряжение на каждом из которых соответственно более положительно, чем на предыдущем диноде, причем каждый из них высвобождает несколько вторичных электронов на один падающий электрон. Таким образом, один фотоэлектрон, выбитый из фотокатода, может дать лавину, состоящую из 105–108 электронов у анода. Фотоумножитель гораздо более чувствителен, чем обычный фотоэлемент, и дает возможность в специальных условиях (сильное охлаждение для полного подавления термоэлектронной эмиссии) обнаруживать появление даже одного фотона у фотокатода. Все большее применение в оптических спектрометрах находят полупроводниковые приемники излучения, в частности фотодиоды. Принцип их действия заключается в том, что облучение p-n перехода, на который подано запирающее напряжение, приводит к образованию носителей заряда. В результате сопротивление переходного слоя уменьшается, вызывая появление тока в цепи. Наиболее широко используются фотодиоды из Ge и Si, а также фотодиоды на основе полупроводниковых соединений InAs, CdSe, InSb и т.д.

4.3.2. Детекторы с пространственным разрешением

Фотографическая эмульсия

До конца прошлого века для регистрации спектров в ультрафиолетовой и видимой областях спектра широко использовались фотографические эмульсии. Поскольку эмульсия обычно закреплена на стекле или пластине,

то фактически детектор представляет собой фотографическую пластинку или пленку.

В состав фотоэмульсии входят галогениды серебра – AgBr или AgCl. При проецировании спектра на фотопластинку, благодаря протеканию фотохимической реакции разложения, на поверхности кристалликов галогенида появляются атомы серебра, число которых пропорционально освещенности и времени экспозиции. В результате возникает так называемое скрытое изображение. Затем пластинку помещают в проявляющий раствор, содержащий восстановитель, например, гидрохинон. Гидрохинон восстанавливает галогениды серебра до металлического серебра. Эта реакция протекает с наибольшей скоростью на тех участках эмульсии, которые подвергались более сильному облучению, поскольку возникшие при облучении атомы серебра являются эффективными катализаторами. После этого изображение «закрепляют» путем обработки эмульсии раствором тиосульфата натрия для удаления оставшегося галогенида серебра (тиосульфат-ион образует прочные водорастворимые комплексы с ионами Ag+). В итоге получают так называемый негатив, в котором изображение спектральной линии представляет собой темную полоску на поверхности пленки или стеклянной пластинки. Как было отмечено ранее, использование фотографической эмульсии дает преимущества как для обнаружения участка длин волн, так и для одновременного очень хорошего разрешения небольших интервалов спектра внутри этого участка. Кроме того, фотографическая эмульсия непосредственно интегрирует падающее на нее излучение, т. е. можно обнаружить относительно слабые уровни излучения, если использовать значительно более долгое время экспозиции. Спектр, снятый на эмульсию, можно хранить продолжительное время, если предприняты соответствующие меры предосторожности. Эти преимущества над селективными детекторами позволяют использовать эмульсии для наблюдения и регистрации любого спектра. Фотографическое детектирование спектра имеет несколько нежелательных особенностей. Во-первых, поскольку экспозиция, проявление, закрепление и высушивание фотографической эмульсии является долгим процессом, время, необходимое для получения спектра, довольно значительное – обычно от нескольких минут до нескольких часов. Сравните это длительное время с относительно быстрыми временами срабатывания селективных детекторов,

приведенными в табл. 2. Во-вторых, даже после того как фотографическая

обработка закончена, спектральная информация, присутствующая в эмуль-

сии, должна быть превращена в пропорциональный электрический сигнал,

часто с помощью трудоемкой операции, требующей использования микро-

фотометра. В-третьих, фотографическое детектирование заведомо нелинейно относительно интегральной мощности излучения. Поэтому необходимо калибровать каждую отдельную эмульсию по спектральной чувствительности к излучению, если хотят получить количественные результаты. В-четвертых, хранение фотографической эмульсии на пленках и пластинках ограничено во времени до и после экспозиции. Поэтому требуется либо периодическая повторная калибровка их чувствительности, либо немедленное исследование проявленных пленок или пластинок с помощью микрофотометра. В связи с этим фотографическую эмульсию не столь часто используют в современных спектральных приборах, за исключением тех случаев, когда становится важным непосредственное интегрирование и регистрация непрерывных спектров.

Приборы с зарядовой связью

С конца XX века происходят революционные изменения в конструкции приборов для оптической спектроскопии. Прежде всего, существенно подешевели дифракционные решетки, улучшились их характеристики. По этой причине в современных спектрометрах призмы в качестве диспергирующих устройств практически не используются. Бурное развитие технологии полупроводников и компьютерных технологий сделало коммерчески доступными приборы с зарядовой связью (ПСЗ)– полупроводниковые детекторы оптического излучения, которые представ-

ляют собой двумерные матрицы, состоящие из изолированных друг от друга фоточувствительных полупроводниковых p-n переходов (пикселей) размерами порядка ≤10 мкм. Под воздействием электромагнитного излучения происходит изменение электрического заряда на p-n переходе, пропорциональное интенсивности светового потока и времени экспозиции. Считывание информации с матрицы осуществляется компьютером. (Аналогичные преобразователи в настоящее время используются для получения изображения в цифровых фотоаппаратах и фотокамерах). К настоящему времени успешно решена проблема низкой чувствительности этих устройств в УФ области спектра. Производимые рядом фирм ПСЗ с обратной засветкой и ПСЗ с виртуальной фазой имеют превосходные характеристики в области 180 – 1000 нм, что позволяет создавать спектрометры, состоящие из полихроматора и линейки ПСЗ для регистрации спектров не только во всем оптическом диапазоне, но и в вакуумной УФ области. Подробную информацию о принципе действия и устройстве ПСЗ можно найти здесь.