4.2.2. Источники излучения
В технике оптических исследований применяются следующие источники света: лампы накаливания; газонаполненные лампы (ртутные, водородные, гелевые, криптоноксеноновые); источники длинноволновой радиации (штифты Нернста и глобары); лазеры.
Все источники света характеризуются различным спектральным диапазоном, то есть различной длиной волны излучения.
Лампы накаливания имеют спектральный диапазон Δλ = 0,3 – 0,25 мкм. В области видимого света чаще всего используют следующие типы ламп накаливания: СИ–15 со спиралью ленточного типа, мощность 30 Вт; СЦ–60В со спиралью корзиночного типа, мощность 60 и 100 Вт.
Водородная, гелевая и ртутные лампы используются в УФ области спектра Δλ = 0,1 – 0,4 мкм. Ртутные лампы типа СВДШ и ПРК имеют мощность несколько киловаттт, у этих ламп 30 % излучения лежит в диапазоне 0,2 – 0,4 мкм, 55 % - в видимой области. Криптоноксеноновые лампы используются в ближнем ИК - диапазоне Δλ = 0,75 – 2,5 мкм.
Штифт Нернста используется в ИК - области спектра до 10 мкм. Он является источником излучения в приборе ИКС-11 и представляет собой трубочку из оксидов редкоземельных элементов (оксиды циркония, иттрия и тория), накаливается электрическим током. Штифт может быть нагрет до температуры 1800 – 1900 С.
В оптических приборах, предназначенных для применения в инфракрасной области спектра до 25 – 40 мкм, наиболее часто используют глобар. Глобар представляет собой стержень из прессованного порошкообразнового карбида кремния. Длина его равна 10 – 12 см, диаметр - 2 – 5 мм, рабочий ток - несколько ампер, яркостная температура - 1300 0С. Концы стержня впрессованы в металл и охлаждаются водой.
Большое значение в технике измерений приобрели инжекционные полупроводниковые источники света. Эти источники созданы на основе карбида кремния, арсенида галлия, твердых растворов InxGa1-xAs и GaAs1-xPx.
4.2.3. Приемники излучения
Для регистрации излучения в различных участках оптического диапазона применяются устройства, чувствительность которых в этих участках максимальна. Рассмотрим кратко их принцип работы.
Фотоэлементы. Принцип работы основан на явлении внешней фотоэлектронной эмиссии. Основные элементы прибора: фотокатод и коллектор электронов – анод. Падающие на фотокатод кванты излучения выбивают электроны, которые ускоряются в вакууме электрическим полем, приложенным между катодом и анодом, и создают электрический ток - фототок.
Фотоэлектронные умножители (ФЭУ). Принцип работы основан на явлении внешней электронной эмиссии. Первичная фотоэмиссия из фотокатода осуществляется светом, а затем используется явление вторичной электронной эмиссии. Электроны под действием поля попадают на вторичные электроды - диноды и выбивают большое число электронов. В конечном счете происходит лавинное размножение электронов, причем коэффициент усиления достигает 106 -109.
Электронно-оптический преобразователь (ЭОП). Это прибор, предназначенный для преобразования изображения из одной области спектра в другую и для усиления яркости изображения. Например, для преобразования изображений ИК диапазона в видимое. Принцип работы также основан на явлении внешней фотоэлектронной эмиссии. В электронно-оптических преобразователях происходит двойное преобразование изображения: переносимое оптическим излучением 1 сначала на фотокатоде 3 оптическое изображение трансформируется в электронное 4. Затем последнее с помощью электронов 5, направляемых электронными линзами 6, переносится через вакуумное пространство 7 на люминофорный экран 10, где оно из электронного преобразуется вновь в видимое, но уже с другим спектральным составом (рис. 4.9).
Рис. 4.9. Электронно-оптический преобразователь
Фотосопротивления – полупроводниковые приборы, в которых электрическое сопротивление изменяется под действием электромагнитного излучения. Принцип работы основан на явлении внутреннего фотоэффекта.
Фотодиоды и фототранзисторы. Работа этих приборов основана на модуляции сопротивления p-n-перехода, включенного в обратном направлении, неосновными носителями, возникающими в полупроводнике под действием света.
Термоэлементы и болометры. Принцип работы основан на явлении нагрева или поглощения лучистой энергии зачерненной стороной устройства.
Термоэлементы – это устройства, с помощью которых можно осуществить прямое преобразование тепловой энергии в электрическую. Используются в ИК и видимом диапазонах спектра. Термочувствительные элементы изготавливаются из тонких слоев различных металлов (висмут – сурьма, висмут – теллур, никель, золото, висмут). Приемная поверхность покрывается слоем черни, имеющим большой коэффициент поглощения.
Болометр – термочувствительный элемент, принцип работы которого основан на изменении его сопротивления при нагревании вследствие поглощения излучения. Он представляет собой металлическое сопротивление, которое изменяется под действием тепла излучения.
Оптико-акустические приемники (ОАП). Принцип работы основан на индикации пульсаций давления газа, нагреваемого поглощающей свет мембраной. Поток лучей через входное окно диаметром 3 – 5 мм из CaF2, SiO2 (кварц), KBr, CsI падает на пористую пленку, образующую переднюю стенку камеры с криптоном. Поток почти полностью поглощается этой пленкой и передает тепло газовому объему, газ расширяется и деформирует заднюю пленочную стенку камеры. Для преобразования механических колебаний в электрические применена оптическая часть, расположенная сзади приемной камеры. При этом меняется освещенность катода фотоумножителя, и на нагрузочном сопротивлении появляется переменное напряжение.