Источники и приемники излучения

Естественным источником светового излучения является солнце. Его световое излучение содержит непрерывный спектр от инфракрасной до ультрафиолетовой области.

В качестве источника светового излучения широко применяются лампы накаливания с вольфрамовой нитью, которые также имеют непрерывный спектр излучения, охватывающий видимую и инфракрасную области. У лампы накаливания нить помещается в стеклянную колбу и светится под действием пропускаемого через нее постоянного или переменного тока. При повышении температуры нити длина волны излучаемого ею света уменьшается, а интенсивность излучения возрастает. Управляя напряжением и током, протекающим через нить накаливания, можно прокалибровать лампу при любой заданной цветовой температуре. Лампа накаливания характеризуется пространственным распределением света, близким к сферическому, и в большинстве случаев может рассматриваться как точечный источник. Недостатком ламп накаливания является их слишком малый коэффициент полезного действия: только 2% подводимой к ним электрической мощности преобразуется в видимое излучение.

Газоразрядные лампы представляют собой герметически закрытый кварцевый или стеклянный баллон со впаянными электродами, заполненный газом. В этом газе происходит электрический разряд, который сопровождается свечением. Газоразрядные лампы делятся на лампы непрерывного свечения и лампы импульсного разряда. Они характеризуются непрерывным спектром излучения с наложенными на него на определенных частотах линиями. Недостатком газоразрядных ламп являются их сравнительно большие габариты и сложность схем питания.

В настоящее время все более широкое применение получают лазерные источники излучения. Лазеры бывают газовыми, твердотельными и полупроводниковыми. Наибольшее распространение получили газовые лазеры, характеризующиеся монохроматичностью и поляризованностью излучаемого ими когерентного света.

Устройство лазера, работающего на углекислом газе, показано на рис. 5.3. Лазер состоит из охлаждаемой проточной водой разрядной трубки /, внутри которой с помощью системы электродов 4 создается газоразрядная плазма 3. По торцам газоразрядной трубки размещаются зеркала резонатора: глухое зеркало 2 и полупрозрачное зеркало (или зеркало с отверстием) 5.

В настоящее время наиболее распространенными источниками излучения, которые используются в системах контроля и измерения, являются светодиоды, принцип действия которых основан на генерировании светового излучения при рекомбинации электронов и дырок в полупроводниковом материале, как показано на рис. 5.4, а. Основные материалы, используемые для их изготовления, — арсенид и фосфид галлия.

Для уменьшения потерь энергии на поверхности полупроводника выполняют полусферическое покрытие из материала, коэффициент преломления которого имеет промежуточное значение между коэффициентами преломления воздуха и кристалла.

Рис. 5.3. Устройство лазера, работающего на углекислом газе, с диффузионным.

охлаждением.

Рис. 5.4. Конструкции светодиодов:

/ — омические контакты; 2— п-область; 3 — р-область; 4 — светоизлучающий р-л-переход; 5 — прозрачная пластмасса.

(рис. 5.4, б). Наиболее эффективны конструкции светодиодов, у которых /?-область /?-л-перехода имеет форму полусферы (рис. 5.4, в). В такой конструкции лучи генерируемого света подходят к разделу полупроводник — воздух перпендикулярно, что снижает потери на внутреннее отражение.

Светодиоды изготавливаются на основе эпитаксиальных структур путем формирования на поверхности исходной пластины из полупроводникового материала слоя, структура которого является продолжением структуры подложки. К эпитаксиальным структурам относятся структуры в системе AlAs — GaAs (красное свечение), двухслойные структуры на основе фосфида галлия GaP, дающие красное, зеленое и желтое свечение, а также двухпереходные структуры фосфида галлия с красным и зеленым цветом свечения. Омические контакты светодиодов изготавливают на основе тонкопленочных металлических покрытий, например Ni—Au—Sn, Ni—Au—Zn.

Светодиоды могут иметь габаритные размеры до 0,5×0,5×0,3 мм.

Параметры излучения зависят от излучателя и режимов излучения. Излучение может быть непрерывным, импульсным, а также в режиме одиночных импульсов. В режиме одиночных импульсов длительность одного импульса не превышает одной тысячной доли секунды, а интервал между импульсами может составлять десятки минут. Максимальная мощность излучения достигается именно в режиме одиночных импульсов.

Приемники излучения можно разделить на две группы: интегральные и селективные. К интегральным относятся приемники излучения, базирующиеся на преобразовании энергии излучения в температуру независимо от длины его волны. К селективным относятся фотоэлектри ческие преобразовател и,.

Рис. 5.5. Схема интегрального теплового приемника излучения.

настраиваемые на ту или иную определенную длину волны излучения. К ним относятся преобразователи, использующие явления внутреннего и внешнего фотоэффекта:. фоторезисторы, фотодиоды, вакуумные и газонаполненные фотоэлементы, фотоумножители и т. п.

Тепловой приемник интегрального типа изображен на рис. 5.5. Интегральный тепловой приемник представляет собой металлический диск 2 и контактирующий с ним термочувствительный элемент 2, который измеряет фактическую температуру диска 2. Рабочая поверхность диска 2 покрывается слоем черни /, который поглощает падающее на него излучение. Коэффициент поглощения черненой поверхности практически равен единице в диапазоне от ультрафиолетового до инфракрасного излучения. Выходной электрический сигнал, поступающий на милливольтметр или на другую нагрузку, пропорционален мощности падающего на рабочую поверхность диска 2 излучения и не зависит от спектрального состава этого излучения.

Существуют приемники излучения, выполненные в виде полоски из двух различных металлов, образующих термопару. Существуют также приемники излучения, выполненные в виде полоски или стержня из металла или полупроводника, который изменяет свое сопротивление в зависимости от температуры. В последнем случае такой преобразователь называется болометром.

Для повышения точности преобразования, достигаемого уменьшением потерь тепла на конвекцию, тепловой приемник может быть помещен в стеклянный баллон, из которого откачивается воздух. Чувствительность такого датчика возрастает в 10 раз и более. В баллоне предусматривается окно из кварца, прозрачного для ультрафиолетового и инфракрасного излучения.

Фотоэлементы с внешним фотоэффектом — это вакуумные и газонаполненные фотоэлементы и фотоумножители, в которых под воздействием светового излучения с поверхности фотокатода выбиваются электроны, увлекаемые внешним электрическим полем и создающие фототок. Вакуумные фотоэлементы представляют собой сферический стеклянный баллон, на внутреннюю поверхность которого нанесен слой фоточувствительного материала, образующего фотокатод. Анод обычно выполняют в виде кольца или сетки из никелевой проволоки. Преобразование светового потока в электрический ток происходит практически без задержки (мгновенно).

В фотоумножителях первичный фототок усиливается за счет вторичной электронной эмиссии с промежуточных катодов, в которые ударяется поток электронов, усиленных электрическим полем, включенным между парами соседних катодов. Общий коэффициент усиления одного фотоумножителя может достигать сотен тысяч при практически безынерционном преобразовании. Поэтому фотоумножители используются для регистрации быстро протекающих процессов, где требуется высокая чувствительность. Схема подобного фотоумножителя представлена на рис. 5.6. Конструктивно такой фотоумножитель представляет собой стеклянный баллон, в котором размещены анод Л, первичный катод К и вторичные (промежуточные) катоды Э_Х)…, Э_А (эмиттеры).

Газонаполненные фотоэлементы позволяют получать токи, в несколько раз большие, чем в вакуумных фотоэлементах. Обычно стеклянные колбы заполняются инертными газами (неоном, аргоном, криптоном, ксеноном). При этом электроны, движущиеся к аноду, сталкиваются с молекулами газа и ионизируют их. В.

Рис. 5.6. Схема фотоумножителя результате от катода к аноду начинает двигаться лавина электронов, а к катоду — лавина положительно заряженных ионов. Коэффициент газового усиления может достигать 6…7. Недостатком газонаполненных фотоэлементов является то, что максимальная амплитуда фототока достигается лишь спустя некоторый промежуток времени после начала освещения, поэтому такие элементы используются для регистрации световых потоков, изменяющихся с частотами не выше нескольких сотен герц.

Фоторезисторы представляют собой полупроводниковую пластинку с контактами, которая при освещении в результате внутреннего фотоэффекта уменьшает свое сопротивление. В качестве полупроводникового материала используют сернистый свинец, селенид кадмия, сернистый кадмий и др. Фоторезисто;

Рис. 5.7. Схема фоторезисторов ры имеют самые различные конструкции: они могут быть выполнены герметичными, с жесткими или с мягкими выводами, кольцевой формы и др. Различные схемы фоторезисторов показаны на рис. 5.7.

На рис. 5.7, а показан фоторезистор, который содержит пластмассовый корпус с рабочим окном, в котором размещен чувствительный элемент. На рис. 5.7, б показан фоторезистор, выполняющий функции бесконтактного делителя тока. На диэлектрической подложке 5 нанесены фоторезистивная полоса 7, высокоомный резистивный слой 2, низкоомный резистивный слой 3. Фоторезистор освещается световым зондом 4. К резистивному слою 3 подключено сопротивление нагрузки 7^. Фоторезистор питается напряжениями 6/, и U_r

Фоторезисторы применяются также и в преобразователях перемещений. В этом случае перемещение светового зонда возможно как в направлении, перпендикулярном электродам (рис. 5.7, в), так и в направлении, параллельном электродам (рис. 5.7, г).

Рис. 5.8. Различные конструкции фоторезисторов.

Конструктивное исполнение фоторезисторов также может быть различным. Различные конструкции фоторезисторов показаны на рис. 5.8. На рис. 5.8, а изображен фоторезистор в стеклянном корпусе, на рис. 5.8, б — фоторезистор в металлическом корпусе, на рис. 5.8, в — в пластмассовом корпусе и на рис. 5.8, г — фоторезистор в планарном исполнении.

Фотодиоды и фототранзисторы относятся к полупроводниковым приемникам излучения. Фототранзистор представляет собой тот же фотодиод, снабженный усилителем фототока. Фотодиоды могут работать в двух режимах: фотогенераторном и фотодиодном. В фотогенераторном режиме отсутствует источник внешнего напряжения. В фотодиодном режиме имеет место подключение внешнего запирающего напряжения. При отсутствии облучения под дей;

Рис. 5.9. Датчик механических колебаний на базе фотоэлектрического преобразователя.

ствием этого напряжения в измерительной цепи течет так называемый темповой ток, который, однако, обычно невелик. При освещении фотодиода ток в измерительной цепи увеличивается в зависимости от интенсивности облучения.

Пример использования фотоэлектрического датчика для регистрации механических колебаний приведен на рис. 5.9. Датчик содержит установленную на корпусе / с помощью плоскопараллельных пружин 2 инерционную массу J, которая может перемещаться относительно платформы 4. Эта платформа жестко крепится на корпусе с помощью механизма ориентации 9. На платформе 4 жестко закреплен фотодиод 6, а на инерционной массе 3 жестко закреплен светодиод 5. Фотодиод 6 и светодиод 5 направлены навстречу друг другу, а их оси параллельны. С помощью болтов 8 весь датчик может быть закреплен на исследуемом объекте. Позицией 7 обозначены электрические провода для подвода напряжения к светодиоду 5. Их жесткость пренебрежимо мала по сравнению с жесткостью пружин 2 С помощью механизма ориентации 9 можно регулировать начальное взаимное расположение светодиода 5 и фотодиода б, добиваясь наибольшей чувствительности датчика.

При смещении инерционной массы 3 относительно корпуса /, вызванном колебаниями последнего, происходит изменение взаимного расположения светодиода 5 и фотодиода 6, что приводит к изменению электрического сигнала на выходе датчика пропорционально амплитуде колебаний инерционной массы 3.

Такой датчик позволяет измерять абсолютные колебания объектов в области низких частот (20…40Гц) с точностью до 0,01 мкм. Он используется при исследовании балансировки шпинделей особо точных станков.