Каково устройство и принцип действия фотоэлемента, работающего на внешнем фотоэффекте (кислородно- цезиевый, сурьмяно-цезиевый).

 

Фотоэлементы, основанные на внешнем фотоэффекте (вакуумные фотоэлементы). Действие фотоэлементов с внешним фотоэффектом основано на выбивании электронов под действием света из светочувствительного слоя, расположенного на катоде. Катод, как правило, содержит щелочной металл. Все фотоэлементы данного типа выполняются в виде стеклянных сосудов, одна половина которых покрыта светочувствительным слоем, либо внутри помешается светочувствительная пластина (см. рис.6). Перед катодом (катод 1) располагается анод (2), выполненный в виде кольца и служащий для собирания выбитых электронов. Размеры анода должны быть невелики, чтобы не препятствовать свободному доступу света к катоду.

Рис.6. Схема вакуумного фотоэлемента.

Для изготовления катода чаще всего применяют никель. Выбитые под действием света электроны направляются в сторону анода, и во внешней цепи появляется ток, но эмиссия электрона в таких фотоэлементах так мала, что даже высокочувствительный гальванометр не может зарегистрировать этот ток. Поэтому фотоэлементы соединяют с источником тока (3), поставляющим электроны. Однако и в этом случае ток мал - приборы не в состоянии его зарегистрировать. Для усиления тока ставят электронный усилитель (5) через сопротивление (4), и затем гальванометр (6).

Характеристика:

Достоинства:

1. Выходной прибор может быть грубым, так как питается усиленным
током.

2. Фотоэлемент можно снабдить самописцем.

3. Прибор можно подключить к системе автоматического контроля.

4. Показания фотоэлементов отличаются большой (высокой)
стабильностью при долговременной работе (более 10 лет).

5. Область применения 400-700 нм..
Недостатки:

1. Фототок очень малый.

2. Для стабилизации работы фотоэлемента требуется внешний источник тока.

3. Обязательно наличие электронного усилителя, что вызывает
увеличения стоимости фотоэлемента.

4. Вакуумные фотоэлементы имеют темновые токи, появляющиеся в
результате термоэлектронной эмиссии и токов проводимости по стеклу. В
современных приборах предусматривается специальное устройство для устранения темновых токов.

Разновидности фотоэлементов

а) сурьмяно-цезиевые фотоэлементы получают конденсацией паров сурьмы на поверхности стекла, при этом получается почти непрозрачный слой металлической сурьмы толщиной около 150 мк. При последующем прогреве сурьмы в парах цезия образуется соединение, обладающее полупроводниковыми свойствами. На поверхности этого слоя абсорбируются атомы цезия, снижающие работу выхода электрона. Для увеличения чувствительности готовая поверхность фотоактивного слоя подвергается действию малых количеств кислорода или паров серы (сенсибилизация фотоэлемента - т.е. повышение его чувствительности).

Характеристика:

1. Фотоэлемент отличается высокой чувствительностью в видимой и
ультрафиолетовой области. Падение чувствительности в далёкой
ультрафиолетовой области объясняется снижением прозрачности баллона для
ультрафиолетовых лучей. В настоящее время для расширения диапазона
чувствительности в стеклянный баллон помещают кварцевые окна.

2. Интегральная чувствительность фотоэлементов достаточно велика 100-
200мА/лм.

3. Характерной особенностью сурьмяно-цезиевые фотоэлементов
является полная независимость их чувствительности при повышении
температуры до 50 °С.

4. Область применения: 210-620 им.

б ) кислородно-цезиевые элементы готовят нанесением серебряной подкладки на стеклянные стенки баллона. Затем слои серебра подвергаются окислению на глубину порядка 100*200 молекулярных слоев. Окисленный слой восстанавливается в парах цезия. При этом на шероховатой поверхности катода абсорбируются атомы цезия в количестве, отвечающем, примерно, монослою.

Таким образом, кислородно-цезиевый фотоэлемент состоит из металлической подкладки (серебро), полупроводника в качестве промежуточного слоя и атомов цезия.

Характеристика:

1. Интегральная чувствительность 1-20 мА/лм. Характеристикой данного
фотоэлемента является высокая чувствительность к лучам длинноволновой
части спектра (750-1000), однако, имеется максимум и в ультрафиолетовой
области.

2. Диапазон применения 600-1200 им.

3. Фотоэлемент способен "утомляться", то есть уменьшать силу фототока
при освещении. Причём наибольшее утомление наблюдается при облучении ультрафиолетовым и фиолетовым светом и не наблюдается при облучении красным и инфракрасным светом.

4. Температурная устойчивость к кислородно-цезиевым фотоэлементам меньше, чем у сурьмяно-цезиевых.

 

10. Принцип работы и устройства однолучевых фотоколориметров.

Оптическая схема фотоколориметров КФК-2, КФК-3.

Фотоэлектроколориметры предназначены для измерения коэффициентов пропускания или оптической плотности растворов. Современные приборы позволяют проводить измерения в видимой области спектра (400–760 нм) и в примыкающих к ней ультрафиолетовой (300–400 нм) и инфракрасной (760–1000 нм) областях. Приемниками излучения являются фотоэлементы разных типов, монохроматорами — светофильтры с шириной полосы пропускания 10–15 нм (интерференционные светофильтры) или 30–50 нм (абсорбционные светофильтры). Спектральные характеристики светофильтров приводятся либо в виде графической зависимости пропускания от длины волны, либо в виде таблиц с указанием длины волны, соотвеетствующей максимальному пропусканию данного светофильтра. В последних моделях колориметров, например КФК-3, в качестве монохроматоров применяют дифракционные решетки.

Принцип работы фотоэлектроколориметров состоит в сравнении интенсивности потоков света, прошедшего через растворитель (I ₀) и через исследуемый раствор (I).

Особенностью последних моделей таких приборов – КФК-2МП и КФК-3 – является наличие микропроцессорной системы (МПС), предназначенной для обработки аналоговой информации, поступающей от колориметров. Несомненным достоинством МПС является то, что она в качестве результата измерения выдает непосредственно концентрацию вещества. При этом колориметр КФК-2МП позволяет получать значения концентрации, изменяющейся во времени, через каждые 5 с. На шестиразрядном индикаторном устройстве производится индикация типа выполняемой задачи, результатов ее решения, значений констант градуировочного графика и интервала времени. Колориметр КФК-3 снабжен, кроме того, термопечатающим устройством для вывода результатов измерения на бумажную ленту.

Оптические схемы колориметров КФК-2 и КФК-2МП практически одинаковы (см. рисунок). Спектральные характеристики их светофильтров и цвета видимого света представлены в таблицах ниже.