7.5: Випромінювальні перетворювачі
- Page ID
- 26938
Вступ
У оригінальному методі Несслера для визначення аміаку (див. Розділ 7.4) око аналітика служить детектором, зіставляючи колір зразка зі стандартом. Людське око, звичайно, має поганий діапазон - воно реагує лише на видиме світло - і воно не особливо чутливе або точне. Сучасні детектори використовують чутливий перетворювач для перетворення сигналу, що складається з фотонів, в легко вимірюваний електричний сигнал. В ідеалі сигнал детектора, S, є лінійною функцією потужності електромагнітного випромінювання, P,
\[S=k P+D \]
де k - чутливість детектора, а D - темний струм детектора, або фоновий струм, коли ми запобігаємо потраплянню випромінювання джерела до детектора. Існує два широкі класи спектроскопічних перетворювачів: фотонні перетворювачі та теплові перетворювачі, хоча ми поділимо фотонні перетворювачі, враховуючи їх багату різноманітність. У таблиці\(\PageIndex{1}\) наведено кілька репрезентативних прикладів кожного класу перетворювачів.
Перетворювач - це загальний термін, який відноситься до будь-якого пристрою, який перетворює хімічну або фізичну властивість в легко вимірюваний електричний сигнал. Наприклад, сітківка ока - це перетворювач, який перетворює фотони в електричний нервовий імпульс; ваша барабанна перетинка - це перетворювач, який перетворює звукові хвилі в інший електричний нервовий імпульс.
перетворювач | клас | діапазон довжин хвиль | вихідний сигнал |
---|---|---|---|
фотоелектричні елементи | фотон | 350—750 нм | поточних |
фототрубка | фотон | 200—1000 нм | поточних |
фотомножник | фотон | 110—1000 мм | поточних |
Si фотодіод | фотон | 250—100 мм | поточних |
фотопровідник | фотон | 750—6000 нм | зміна опору |
фотоелектричні елементи | фотон | 400-5000 нм | струм або напруга |
термопари | теплової | 0,8-40 мкм | напруга |
термістор | теплової | 0,8-40 мкм | зміна опору |
пневматичний | теплової | 0,8-1000 мкм | зміщення мембрани |
піроелектричний | теплової | 0,3—1000 мкм | поточних |
Фотонні перетворювачі
Фотонний перетворювач приймає фотон і перетворює його в електричний сигнал, такий як струм, зміна опору або напруга. Багато таких детекторів використовують напівпровідник в якості світлочутливої поверхні. Коли напівпровідник поглинає фотони, валентні електрони рухаються в смугу провідності напівпровідника, виробляючи вимірюваний струм.
Фотоелектричні елементи
Фотоелектричний елемент (рис.\(\PageIndex{1}\)) складається з тонкої плівки напівпровідникового матеріалу, такого як селен, затиснутий між двома електродами: базовим електродом із заліза або міді і тонким напівпрозорим шаром срібла або золота, який служить колекторним електродом. Коли фотон видимого світла падає на фотоелектричний елемент, він генерує електрон і дірку з позитивним зарядом всередині напівпровідника. Рух електронів від колекторного електрода до базового електрода генерує струм, пропорційний потужності вхідного випромінювання і який служить сигналом.

Фототрубки та фотомультиплікатори
Фототрубки і фотомультиплікатори використовують світлочутливу поверхню, яка поглинає випромінювання в ультрафіолетовому, видимому або близькому ІК для вироблення електричного струму, пропорційного кількості фотонів, які досягають перетворювача (див. Рис.\(\PageIndex{2}\)). Струм виникає в результаті застосування негативного потенціалу до фотовипромінювальної поверхні і позитивного потенціалу до дроту, який служить анодом. У фотомультиплікаторной трубці ряд позитивно заряджених динод служить для посилення струму, виробляючи 10 6-10 7 електронів на фотон.


кремнієві фотодіоди
Застосування зворотного зміщеного напруги до pn переходу кремнієвого напівпровідника створює зону виснаження, в якій провідність близька до нуля (див. Розділ 2 для більш раннього обговорення напівпровідників). Коли фотон світла достатньої енергії потрапляє на зону виснаження, утворюється електронно-діркова пара. Рух електрона через n -область і дірки через p -область генерує струм, пропорційний кількості фотонів, що досягають детектора. Кремнієвий фотодіод має широкий спектральний діапазон від приблизно 190 нм до 1100 нм, що робить його універсальним; однак фотодіод менш чутливий, ніж фотомножник.

Багатоканальні фотонні перетворювачі
Фотонні перетворювачі, про які йшлося вище, виявляють світло на одній довжині хвилі, що передається монохроматором до детектора. Якщо ми хочемо записати повний спектр, то ми повинні постійно регулювати монохроматор вручну або за допомогою сервомотора. У багатоканальному приладі ми створюємо одновимірний або двовимірний масив детекторів, які дозволяють одночасно контролювати випромінювання, що охоплює широкий діапазон довжин хвиль.
Фотодіодні масиви
Окремий кремнієвий фотодіод досить невеликий, зазвичай з шириною приблизно 0,025 мм. В результаті лінійний (одновимірний) масив, який складається з 1024 окремих фотодіодів, має ширину всього 25,6 мм. На малюнку\(\PageIndex{4}\), наприклад, показаний УФ-детектор з ВЕРХ. Світло від дейтеріевой лампи проходить через проточну комірку, розсіюється дифракційною решіткою, а потім фокусується на лінійному масиві фотодіодів. Крупним планом праворуч показана активна частина масиву фотодіодів, покрита оптичним вікном. Активна ширина цього фотодіодного масиву становить приблизно 6 мм і включає в себе більше 200 окремих фотодіодів, достатніх для забезпечення 1 нм дозволу від 180 нм до 400 нм.

Пристрої передачі заряду
Одним із способів підвищення чутливості детектора є збір та зберігання зарядів перед їх підрахунком. Такий підхід застосовується з двома типами пристроїв передачі заряду: детекторами із зарядним зв'язком та детекторами впорскування заряду. Окремі детектори, або пікселі, складаються з шару діоксиду кремнію, покритого зверху напівпровідника. Коли фотон потрапляє на детектор, він створює електронно-діркову пару. Електрод поверх шару діоксиду кремнію збирає і зберігає або негативно заряджені електрони, або позитивно заряджені дірки. Через достатній час, протягом якого збираються 10 000-100 000 зарядів, вимірюється загальний накопичений заряд. Оскільки окремі пікселі невеликі, як правило, 10 мкм, вони можуть бути розташовані в лінійному, одновимірному масиві або двовимірному масиві. Пристрій передачі заряду з 1024 x 1024 пікселями буде розміром приблизно 10 мм х 10 мм.
В якості детекторів використовуються два важливих пристрої передачі заряду: пристрій із зарядним зв'язком (ПЗС), про який йдеться нижче, і пристрій заряду-впорскування (CID), про який йдеться в главі 10. Обидва типи пристроїв використовують двовимірні масиви окремих детекторів, які зберігають заряд. Два пристрої відрізняються насамперед тим, як зчитуються накопичені заряди.
\(\PageIndex{5}\)На малюнку показано поперечний переріз одного детектора (пікселя) у пристрої із зарядом (ПЗС), де окремі пікселі розташовані у двовимірному масиві. Електронно-діркові пари створюються в шарі кремнію, легованого p. Дірки мігрують до кремнієвого шару, легованого n, і електрони витягуються в область нижче позитивно зарядженого електрода. Коли настає час записувати накопичені заряди, заряд зчитується в правому верхньому куті масиву з зарядами в тому ж рядку, виміряними зміщенням їх зліва направо. При читанні першого ряду заряди в інших рядах зміщуються вгору і записуються. У зарядно-інжекторному пристрої ролі електронів і дірок змінюються і реєструються накопичений позитивний заряджений.

\(\PageIndex{6}\)На малюнку показаний приклад спектрофотометра, оснащеного лінійним ПЗС-детектором, що включає 2048 окремих елементів з діапазоном довжин хвиль від 200 нм до 1100 нм. Спектрометр розміщений в компактному просторі 90 мм х 60 мм

Теплові перетворювачі
Інфрачервоні фотони не мають достатньої енергії, щоб виробляти вимірюваний струм за допомогою фотонного перетворювача. Тепловий перетворювач, таким чином, використовується для інфрачервоної спектроскопії. Поглинання інфрачервоних фотонів підвищує температуру теплового перетворювача, змінюючи одне або кілька його характерних властивостей. Пневматичний перетворювач, наприклад, являє собою невелику трубку ксенонового газу з ІК-прозорим вікном на одному кінці і гнучкою мембраною на іншому кінці. Фотони потрапляють в трубку і поглинаються почорнілої поверхнею, підвищуючи температуру газу. Коли температура всередині трубки коливається, газ розширюється і стискається, а гнучка мембрана рухається всередину і назовні. Моніторинг зміщення мембрани виробляє електричний сигнал.