Фотоелектрически детектор - Голямата енциклопедия на нефта и газа, статия, страница 4
Фотоелектрически детектор
Както беше обсъдено по-рано, за качествен анализ са необходими високо съотношение на апертурата, добра спектрална разделителна способност (за анализ на следи от елементи) и възможност за многоелементен анализ. За да се изпълни първото изискване, се използва или камера с голям относителен отвор, или висок процеп, или и двете. Добре е такива уреди да се използват само за елементен анализ на малки проби. Най-простият тип спектрометър се състои от монохроматор с фотоелектричен детектор, разположен зад изходния прорез. Такъв едноканален инструмент е подходящ само за последователен анализ, което значително ограничава използването му при локален или микроанализ в горните случаи. [46]
От деветнадесети век е известно, че когато светлината удари определени метални повърхности, понякога от метала се освобождават електрони. Това явление е известно като фотоелектричен ефект, а излъчваните частици се наричат фотоелектрони. Ако положително зареден електрод се постави близо до фотоизлъчващия катод, така че да привлича фотоелектрони, тогава може да се накара електрически ток да тече в отговор на падащата светлина. По този начин устройството се превръща във фотоелектричен детектор на оптично поле и се доказа като едно от най-важните фотоелектрични устройства. Има различни начини за усилване на фотоволтаичния ток. В едно важно устройство, известно като фотоумножител1 и показано схематично на фиг. 9.1., фотоелектроните се ускоряват, така че, като удрят положителния електрод, те предизвикват излизането на няколко вторични електрона за всеки падащ първоначален електрон и тези електрони,след това, ускорявайки се, на свой ред те удрят други повърхности на вторично излъчване. След 10 или повече такива етапа на усилване, излъчването на всеки фотоелектрон от катода произвежда импулс от един милион електрона на анода, което е достатъчно, за да бъде регистрирано от брояч на електрони. Чрез преброяване на тези фотоелектронни импулси получаваме изключително чувствителен светлинен детектор. [48]
За да се получат възпроизводими резултати от измерването, трябва да се приеме, че измереният прах, като се вземат предвид разпределението на зърната и оптичните характеристики, не е обект на измерими промени. Освен това, като следствие от това, е необходимо индивидуално калибриране на всяко отделно устройство на мястото на инсталиране. От едната страна на комина се монтира измервателната глава, а от другата - рефлекторът. Измервателната глава се състои от източник на светлина и фотоелектричен детектор, неподвижно закрепени един спрямо друг. Рефлекторът се състои от монтирани призми (т.нар. ретрорефлектор), които отразяват входящия светлинен лъч. [49]
Съществуват два основни метода за запис на спектри – фотографски и фотоелектричен. При заснемане на спектъра във фокалната равнина се поставя фотоплака, върху която едновременно се записват всички изображения на входната цепка, образувана от отделни видове излъчвания. При фотоелектричен запис във фокалната равнина тесни изходни процепи се поставят на определени позиции. Лъчението, характерно за някои отделни елементи, преминава през прорезите и удря чувствителните фотоелектрични детектори. Сигналът на детектора се усилва, интегрира за определен период от време и след това се записва с показващ уред или се записва на лента. [51]
По този начин, точносттапостижимо с помощта на пирометър с изчезваща жица е достатъчно за почти всички промишлени и научни цели. Големият недостатък, разбира се, е необходимостта от активното участие на наблюдателя. Поради тази причина за много индустриални приложения пирометърът с изчезваща нишка е заменен от автоматични инструменти. И докато на практика няма нужда от по-точен инструмент от пирометъра с визуална изчезваща жица, фотоелектричният детектор проправи пътя за много други методи за използване на топлинно излъчване за термометрия. [52]
Както вече видяхме в сект. Тъй като p/b3 е броят на модите на единица обем, съотношението на първия член към втория член е средният брой фотони на мод в рамките на честотната лента на реакцията на детектора. Когато това средно число на заемане стане голямо, поведението на квантуваното поле се доближава до това на класическото поле поради принципа на съответствие и скоростта на спонтанното броене става незначителна в сравнение със скоростта на стимулираното броене. В такава ситуация няма фундаментална разлика в избора на квантов брояч или фотоелектричен детектор като по-ефективно средство за измерване. Освен това в такава ситуация очакваните стойности на нормално и антинормално подредените продукти в (12.2.7) и (12.9.5) са приблизително равни и нашето третиране на полеви вектори като c-числа е оправдано. [53]
Детекторът, използващ бета лъчение, е направен под формата на тънък слой от изотопа Ni63, нанесен чрез вакуумно разпрашване върху повърхността на термоелектрическия модул. В друг дизайн нискоенергийното бета лъчение (C14 изотоп) беше разпръснато от златна подложка. Предимството на радиационните детектори е тяхната висока чувствителност. Праг на чувствителност на детектора с алфарадиацията съответства на повърхностна плътност на кондензата от около 1 µg/cm2, което е около 3 пъти по-малко от масата, открита от фотоелектрически детектор. Една от причините за това е, очевидно, ускоряването на образуването на роса върху огледалната повърхност, която не е полирана в тези детектори и създава ядра на кондензация. Според някои данни алфа детекторът има и селективност по отношение на фазовото състояние на кондензата. [54]
Независимо от това, този метод дава възможност да се извърши анализ, който не може да бъде извършен с други средства. В случаите, когато увеличаването на ширината на процепа е неприемливо поради спектрална интерференция, може да се извърши предварително осветяване с помощта на непрекъснат източник, като деутериева лампа. Основната разлика между обсъжданите методи е, че в първия случай спектралните линии се разширяват, придружено от намаляване на шума поради грануларността на емулсията. Следователно трябва да му се даде предпочитание. При използване на фотоелектрични детектори, особено с малък тъмен ток, е възможно да се открие излъчване с много по-ниска енергия. В този случай границата на откриване може да бъде ограничена от изстрелвания шум на фотоумножителя. Специален случай, който рядко се среща в други спектрохимични изследвания, е определянето на основните компоненти на малки проби, например при анализиране на малки включвания в големи проби. В тези случаи не е необходимо да се облъчва фотографската емулсия до такава степен, че спектралният фон да може да бъде измерен, тъй като интензитетът на линията е с няколко порядъка по-голям от интензитета на фона. [55]
Сравнението на този израз с (12.3.3) показва, че за същото състояние на полето с режими, които са незапълнени извън набора [ k s ], и за същия квантизходи a и /3, квантовият брояч ще брои с по-бърза скорост от фотоелектричния детектор. Разликата между тези две скорости на броене c / 3Sp / L3 не зависи от състоянието на полето. Тъй като броят на режимите JJL е пропорционален на L3, тогава cf3Sjn / L3 всъщност е независим от нормализационния обем L3, както би трябвало да бъде за количество, което има физическо значение. В допълнение, c / 33p / b3 от (12.9.8) е скоростта на броене на квантов брояч във вакуум; по този начин той очевидно отразява приноса, който може да се припише на фотонната емисия по време на спонтанния преход на системата от ниво b към ниво c. Именно това спонтанно броене основно отличава квантовия брояч от фотоелектрическия детектор. [56]
Такова внимание към нормалното подреждане е напълно естествено, защото, както показахме в разд. Въпреки че такива устройства не се срещат често в лабораторията, те със сигурност могат да бъдат конструирани. Научаваме, че квантовите броячи страдат от някои сериозни недостатъци в сравнение с фотоелектричните детектори, които ги правят непривлекателни като практични устройства. [57]
С P / L и изходът на квантов брояч се определя главно от спонтанно броене. В този случай неговата скорост на броене всъщност е постоянна и не зависи от състоянието на полето. Разбира се, трудно е да си представим, че такъв инструмент ще бъде много търсен като измервателен уред в лабораториите. За съжаление се оказва, че за светлината, излъчвана от всички известни топлинни източници, средният брой на заемане на фотони на мода е много по-малък от единица (вижте раздел. Само когато температурата на източника е много по-висока от 100 000 K, средният брой на заемане на фотони наистина става забележимо по-голям от единица. По този начин квантовият брояч няма голяма полза заизмерване на интензитета на светлината от източник на топлина. Но за поле, генерирано от лазер или параметричен осцилатор, ситуацията е напълно различна. Тук средният брой заемания на мода от фотони наистина може да бъде много голям, така че полето да може да бъде описано класически и измерено както от квантов брояч, така и от фотоелектричен детектор. [58]