Фотоэлектрондық аспаптар

  Жоспар:

Кіріспе:

Фотоэлектрондық құралдар

Негізгі бөлім:

1.1.Фотоэлектрондық көбейткіш

1.2.Люминесценттік камера

1.3.Шала өткізгіштер

1.4.Фотоэлемент

                  

  Кіріспе

Фотоэлектрондық аспаптар — оптикалық ауқымдағы электромагниттік сәулеленудің энергиясын электр энергиясына түрлендіретін немесе көрінбейтін (мысалы, инфрақызыл) сәулелердегі кескіндерді көрінетін кескіндерге түрлендіретін электровакуумдық немесе шалаөткізгіш аспаптар. Фотоэлектрондық аспаптар ақпаратты сақтауға, жинауға, таратуға және қайталап шығаруға арналған. Фотоэлектрондық аспаптардың жұмыс қағидасы фотоэффектіге негізделген. Фотоэлектрондық аспаптарға әр түрлі фотоэлементтер, фотоэлектрондық көбейткіштер, фоторезисторлар, фотодиодтар, электронды-оптикалық түрлендіргіштер және т.б. жатады.Сәуле шашатын диод ауысуы аймағынын энергия кванттарын шашатын диод.Жарық диоды корінетін спектр аймағында,ал инфрақызыл диод корінбейтін спектр аймағында жарық шашатын диод.заряд тасымалдағыштардың рекомбинациялануы энергия кванттарының бөлініп шығуына әкеліп соғады.Жарық диодтары индикаторлары ретінде қолданылады.Инфрақызыл диод оптоэлектрондық құрылғыларды сәуле шашушы ретінде қолданылады.Жарық диоды арнайы құрастырлған диод,мұнда жарық сәулелерінің ауысу аймағынан корпустың мөлдір терезелері арқылы өтуіне жағдай жасалынған.Фотодиодтың жұмыс істеу ұстанымы фотогальваникалық эффектіге негізделген және фото сезімтал элементі жартылай өткізгішті диод.Фотодиод сапасы ең алдымен сәуле көмегімен фото тоқты басқару тиімділігімен анықталады.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Фотоэлектрондық автоматика — бақылауыш, басқарғыш және реттеуіш құралдарда пайдаланылатын фотоэлектрондық құрылғылардың жиынтығы. Бұл құрылғылардың жұмысы фотоэлементке бағытталған сәулелердің көлеңкеленуі немесе оның қарқындылығының өзгеруіне негізделген. Фотоэлектрондық құрылғылар сәулелік (инфрақызыл, көрінетін және ультракүлгін сәуле) энергияларды “сезу” негізінде әр түрлі энергетикалық, өнеркәсіптік, көліктік, т.б. қондырғылардың басқарғыш және реттеуіш жүйелеріне әсер етеді. Фотоэлемент өңделуші материалдан немесе бұйымнан таралатын сәулелерді, бақыланатын орта арқылы өткен сәулелерді қабылдау, сондай-ақ күшейткіш пен жұмыстық тетіктерді іске қосу нәтижесінде әр түрлі механизмдердің қозғалысын тоқтатады немесе оның жылдамдығын өзгертеді, электр желісін іске қосады немесе ажыратады, т.б. Фотоэлектрондық автоматиканың жұмыстық тетіктері ажыратып-қосқыш, реостат, муфта, редуктор, клапан т.б. механизмдер түрінде жасалады

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Фотоэлектрондық көбейткіш (ФЭК) — іс-әрекеті екінші ретті электрондық эмиссияға негіз¬делген фотоэлектрондық аспап. Ол әлсіз фототоктарды күшейтуге арналған. Оптикалық сәулелену әсерінен электрондар ағынын шығаратын фотокатодтан, көбейткіш жүйе кірісіне фотокатодтан шыққан электрондарды фокустейтін және жинайтын, электр өрісін тудыратын кірістік электронды-оптикалық жүйеден, екінші ретті электрондық эмиссия нәтижесінде шыққан электрондарды көбейтуді қамтамасыз ететін динодты көбейткіш жүйеден және екінші ретті электрондар коллекторы — анодтан тұрады. ФЭК-ті алғаш рет кеңес физигі Л.А.Кубецкий 1930—34 жж. ойлап тауып, оны жасап шығарған. ФЭК әлсіз сәулеленуді (бірлі-жарым кванттар деңгейіне дейін) тіркеуде кеңінен пайдаланылады. ФЭК ядролық физикада, оптикалық аппаратураларда, теледидарлық және лазерлік техника кұрылғыларында және т.б. қолданылады.

 

 

 

 

Люминесценттік камера сцинтилляциялық камера — шапшаң қозғалған зарядталған бөлшектер люминофор (сцинтиллятор) арқылы өткен кезде оның жарқырау қасиетіне негізделген иондаушы бөлшектердің траекториясын (іздерін, тректерін) бақылауға және тіркеуге арналған аспап. Зарядталған бөлшек өз траекториясының маңында орналасқан атомдар мен молекулаларды иондай және қоздыра отырып, зат ішінде энергиясын жоғалтады. Энергияның осы кеміген үлесі есебінен сцинтилляторда жарқыл пайда болады. Мұны сезгіш фотоэлектрондық көбейткіштер арқылы, ал кейбір жағдайларда жақсы адаптацияланған (бейімделген) көзбен де көруге болады. Іздің жарқырауының ұзақтығы люминофордың қасиетіне байланысты. Бейорганикалық сцинтилляторларда жарқырау ұзақтығы 10–4 с-тан 10–7с-қа дейін, ал органикалық сцинтилляторларда 10–9 с-қа дейін жетеді. Ең жетілдірілген сцинтилляторда иондаушы бөлшек ізінің әрбір см ұзындығынан 105 — 107 жарық кванты (фотоны) ғана ұшып шығатындықтан ізді тікелей суретке түсіру мүмкін емес. Алғашқы Люминесценттік камераны кеңестік физик Е.К. Завойский әріптестерімен бірлесіп жасаған (1952). Люминесценттік камераның бір нұсқасы а-суретте көрсетілген. Мұнда сцинтиллятор (1) ретінде иодты цезий (CsІ), ал кескін жарықтылығының күшейткіші ретінде көп каскадты электрондық оптикалық түрлендіргіш (ЭОТ) қолданылған. Объектив (3) арқылы кристалдағы бөлшек ізінің (2) кескіні ЭОТ-тың фотокатодына (4) проекцияланады. ЭОТ-тың көмегімен жарықтылығы 105 — 106 есе күшейтілген бейне түрлендіргіштен шығар жердегі люминесценттік экранға (5) түсіп, фотоаппаратпен (6) суретке түсіріледі. Мұнда түрлендіргіштің көмегімен күшейтілген іздің бейнесі тікелей суретке түсірілмейді, ол ең алдымен, таратқыш телевизор түтіктің (7) жәрдемімен бейнесигналға түрленеді. Сөйтіп, өте қашыққа орналасқан теледидар (8) экранында қайта көрсетіледі, ал дыбыс магнитофон (9) таспасына жазылады. Осыдан алынған мәліметтер шапшаң жұмыс істейтін ЭЕМ-де (10) өңделеді. Бейненің контрастылығы мен жарықтылығы радиотехника жабдықтардың көмегімен реттеледі. Кейбір Люминесценттік камерада талшықты оптиканың көмегімен жарық бірнеше есе көп жиналады.

 

Шалаөткізгіштер — электр өткізгіштігі (σ) бойынша металдар мен диэлектриктердің арасынан орын алатын (10–8Ом–1см–1<σ<10–6Ом–1см–1) заттар; бөлме температурасында (300ӘК) шалаөткізгіштік қасиеттері анық байқалатын заттар тобы. Шалаөткізгіштерге Менделеевтің периодтық жүйесінің ҚV тобындағы графит (G), кремний (Sі), германий (Ge), сурьма (Sb), қалайы (Sn); V тобындағы фосфор (P), күшәлә (As); П тобындағы селен (Se), теллур (Te) элементтері, сондай-ақ кейбір тотықтар, көптеген қорытпалар, органик. қосылыстар жатады. ҚV топ элементтерінің (Ge, Sі, Sb) кристалдарына енгізілген ҚҚҚ топ элементтерінің (Al, Ga, Zn) қоспалары кристалл ішінде “кемтіктер” тудырады. Мұндай қоспалар акцепторлар деп аталады. Акцепторлар Шалаөткізгіштерде негізінен “кемтіктік” немесе р-типтік өткізгіштік тудырады. Электрондар мен “кемтіктер” саны шамалас Шалаөткізгіштердің электр өткізгіштігі аралас өткізгіштік деп аталады. Шалаөткізгіштердің электр өткізгіштік сипаты (электрондық немесе “кемтіктік” болуы) Холл эффектісінің таңбасы бойынша анықталады. Екі түрлі Шалаөткізгіштердің немесе Шалаөткізгіштер мен металдың түйіскен жеріндегі электрлік кедергінің шамасы ток бағытына тәуелді өзгеріп отырады. Түйісу аймағында бір бағытта ғана ток өткізетін жапқыш қабат түзіледі. Бұл құбылыс айнымалы ток түзеткіштерінде (диодтарда) пайдаланылады. Жарық әсерінен кедергісі өзгеретін Шалаөткізгіштер (фотокедергілер) оптик. өлшеулерде және фотоэлектрондық автоматикада кеңінен қолданылады. Шалаөткізгіштердің температура өзгерісіне сезімталдығы өте жоғары термометрлер жасауда пайдаланылады. Осындай құрылғылардың (термисторлардың) көмегімен биологияда, медицинада өсімдіктердің немесе тері бетінің әр нүктесінің температурасы анықталады. Әр түрлі Шалаөткізгіштердің немесе Шалаөткізгіштер мен металдың дәнекерленген түйінін бір жағынан қыздырғанда, олар ток көзіне (жылу генераторына) айналады. Күн сәулесінің энергиясын тікелей электр энергиясына айналдыратын күн батареялары ғарыш кемелеріне орнатылады. Радиоэлектрониканың негізгі тетіктеріне жататын транзисторлар р және n типтік өткізгіштігі бар, тізбектеп жалғанған үш жартылай өткізгіштен тұрады. Олар мынадай ретпен жалғануы мүмкін: n-р-n немесе р-n-р. Бұлардың түйіскен жерлерінде электр тербелістері пайда болады және күшейтіледі. Қазіргі заманғы радиотех. аппаратураларда шала өткізгіш диодтар мен транзисторлар кеңінен қолданылады.

 

 

Фотоэлемент — электрондар ағыны немесе электр тогы жарық арқылы басқарылатын электрондық прибор.  
Оның жұмыс принципі металдан (калий, барий) немесе жартылай өткізгіштен жасалған электродтың (фотокатод) бетіне электрмагниттік сәуле түсіргенде фотоэффект құбылысының пайда болуына негізделген. 
 
Фотоэлементтің сыртқы фотоэффект және ішкі фотоэффект құбылыстарына негізделіп жасалған түрлері бар. Сыртқы фотоэффектіге негізделген фотоэлементте (электрвакуумды фотоэлемент) жарық әсерінен электрондар шығаратын фотокатод пен электрондарды жинағыш анод вакуум немесе газ толтырылған баллонға орнатылады. 
 
Фотосезгіш қабат шыны баллонның ішкі бетіне немесе баллон ішіне орнатылған металл пластинканың бетіне жалатылады. Түсетін жарық ағынының (фотондардың) әсерінен катодта фотоэлектрондық эмиссия (электрондардың ұшып шығу құбылысы) пайда болады. Сөйтіп, электрондар ток көзінің оң полюсіне жалғанған анодқа қарай қозғалады да, тізбек тұйықталады. Газбен толтырылған баллонда орнатылған фотоэлементтегі фототок шамасы вакуум баллондағы фотоэлементтегімен салыстырғанда 10 еседей артық болады. Мұндай фотоэлементтер пайдаланылған фотокатодтың түріне, колбаның оптикалық қасиетіне, газдың бар-жоқтығына және оның тегіне (аргон, неон т.б.), сондай-ақ жасалу ерекшеліктеріне қарай бөлінеді. 
 
Ішкі фотоэффектіге негізделген Фотоэлементке (вентильді фотоэлемент, жартылай өткізгішті фотоэлемент, жаппалы қабатты фотоэлемент) сырттан түсірілген жарық энергиясы жартылай өткізгіш приборда тікелей электр энергиясына түрленеді. Мұндай фотоэлемент алу үшіп жартылай өткізгіш материалда р–п ауысу қабаты жасалады. Бұл қабаттың екі жағындағы электродтарға (кемтіктік және электрондық) контактілік сымдар жалғанады. Сөйтіп, ол жарық түсетін саңылауы бар қорапқа салынады. Түсетін жарықтың әсерінен жартылай өткізгіш материалда қозғалмалы заряд тасығыштар (электрондар мен кемтіктер) пайда болады да материалдың электр өткізгіштігі артады. Фотоэлементті жүктемемен қосқанда, фототок шамасы сыртқы кедергіге (Rж) тәуелді болады. Жартылай өткізгішті кремний кристалынан жасалған фотоэлементтер (п. ә. коэфф. 15%-ға жуық) ғарыштық ұшу аппараттарының қоректендіру көзі (қ. Күн батареясы, Фотоэлектрлік генератор) ретінде, радиация құбылыстарды зерттеуде, т.б. пайдаланылады.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Оптика (гр. optіke – көзбен қабылдау жөніндегі ғылым, optas – көрінетін) – физиканың сәуле (жарық) шығару табиғатын, жарықтың таралуын және оның затпен әсерлесу құбылыстарын зерттейтін бөлімЖарық электро-магниттік толқын болғандықтан Оптика электро-магниттік өріс жөніндегі жалпы ілімнің (электрдинамиканың) бір бөлігі болып табылады. Оптикалық сәулелер толқын ұзындығы (λ) бойынша 1 нм-ден 1 мм-ге, бір жағынан рентген, ал екінші жағынан радиосәуленің микротолқындық диапазонына дейінгі аралықты қамтиды. Оптика қалыптасқан дәстүр бойынша геометриялық, физикалық және физиологиялық Оптика болып бөлінеді. Геометриялық Оптика жарықтың табиғатына назар аудармай, тек оның таралуының тәжірибелік заңдарына сүйеніп, өзара тәуелсіз жарық сәулелерінің біртекті ортада түзу сызықтар бойымен таралуын, әртекті орталар шекарасындағы шағылу және сыну заңдылықтарын зерттейді. Бұл заңдылықтар әр түрлі оптикалық құрылымдарды жобалауға, есептеуге (көзілдірік, микроскоп, телескоп, т.б.) мүмкіндік береді. Сонымен қатар ол жарық әртекті орта арқылы өткенде байқалатын құбылыстарды (сағым, кемпірқосақ, т.б.) зерттейді. Есептеу математикасының кеңінен қолданылуы, әдістемелерінің дамып жетілуі есептеу Оптикасы деген жаңа бағыттың дамуына алып келді. Жарық шамаларын өлшейтін Оптиканың фотометрия бөлімі де іс жүзінде жарықтың табиғатын ескермейді. Оның бірқатар мәселелері адам көзінің жарықты сезу, қабылдау қабілетіне байланысты шешіледі. Бұл заңдылықтар биофизика мен психологияға және көздің көру механизмдеріне сүйенетін физиол. Оптикада зерттеледі. Жарықтың табиғаты, оған байланысты әр түрлі оптикалық құбылыстар (интерференция, дифракция, полярлануы және жарықтың анизотроптық орталарда таралуы, т.б.) физикалық Оптикада зерттеледі. Жарықтың толқындық қасиеттері физикалық Оптиканың негізгі бөлімі – толқындық Оптикада зерттеледі. Толқындық Опитканың негізін Х.Гюйгенс (1629 – 1695), Т.Юнг (1773 – 1829), О.Френель (1788 – 1827) және т.б. қалаған. Гюйгенстің Оптикаға қосқан, осы кезге дейін маңызын жоймаған ең басты үлесі – Гюйгенс – Френель принципі.Осы мәселені зерттеу (1900) арқылы М.Планк: қарапайым тербелмелі жүйе (атом, молекула) шығаратын не жұтатын электро-магниттік толқын энергиясы тербеліс жиілігіне пропорционал жеке үлестерден – кванттардан (фотондардан) тұрады деген тұжырымға келді.

 

Түсініктерге қайшы келген осы тұжырым негізінде А.Эйнштейн 1905 жылы фотоэффект құбылысының негізгі заңдарын түсіндірді. Фотоэффект құбылысы жарық табиғатындағы екіжақтылықты, толқындық та корпускулалық та қасиеттерді көрсетті. 1916 жылы Эйнштейн еріксіз сәуле шығару теориясын жасап, соның негізінде 1954 жылы сантиметрлік диапозонда еріксіз монохроматты сәуле шығаратын алғашқы кванттық генераторлар [мазерлер, А.М. Прохоров, Н.Г. Басов (КСРО) және Ч.Таунс (АҚШ)], 1960 жылы когеренттік жарық сәулесін шығаратын рубиндік лазер [Т.Мейман (АІШ)] жасалып, Оптиканың маңызы арта түсті. Лазерлерді қолдану атомның, молекуланың және конденсацияланған ортаның құрылысы мен оларда өтетін процестер жайлы мол деректер беретін лазерлік спектроскопияны күрт дамытты. 1948 жылы ағылшын физигі Д.Габор негізін қалаған голография әдісі лазер пайда болғаннан кейін нысанның көлемдік кескінін алудың, шапшаң өтетін процестерді тіркеудің және денелердегі ығысу мен кернеулерді зерттеудің жаңа мүмкіндіктерін туғызды. Жарық интерференциясы арқылы аса дәл өлшеу әдістері, кванттық оптикалық аппараттар (фотоэлементтер, фотоэлектрондық көбейткіштер, т.б.), полярлану мен дифракция құбылыстарына негізделген аса сезгіш оптикалық аппараттар өмірде кеңінен қолданылады. Фотографияның негізінде жатқан фотохимиялық процестер Оптика мен химияның шекарасындағы сала – фотохимияда зерттеледі. Өткен 20 ғасырдың 70-жылдары есептеу техникасы мен ақпараттану мәселелерін шешуге голография принциптерін қолдану интегралдық Оптика деген жаңа саланың дамуына алып келді. Лазердің қолданылуына байланысты Оптикалық локация және Оптикалық байланыс жүйелері пайда болды. Оптикалық құбылыстарды бақылау және талдау қазіргі заманның негізгі физикалық теориялары кванттық механика мен салыстырмалық теориясының пайда болуына себеп болды.