電場化學儀表第二節(jié)光電比色計與分光光度計的主要部件

1、第二節(jié)第二節(jié) 光電比色計和分光光度計的主要部件光電比色計和分光光度計的主要部件分析儀器組成：分析儀器組成：由光源、單色光器、比色由光源、單色光器、比色皿、光電元件和檢測顯示等組成皿、光電元件和檢測顯示等組成一、光源一、光源可見光區(qū)和紅外區(qū)：可見光區(qū)和紅外區(qū)：用鎢絲白熾燈用鎢絲白熾燈紫外區(qū)：紫外區(qū)：氫弧燈或氘燈氫弧燈或氘燈(nm)相相對對能能量量%020406080300 500 700 900100180400nm交流交流4V8A直流直流350V80V工作電流工作電流300mA(nm)相相對對能能量量%020406080200300400500100(nm)相相對對能能量量%025507520

2、0300100二、單色光器二、單色光器定義：定義：用來獲得單色光的器件用來獲得單色光的器件濾光片、棱鏡、光柵濾光片、棱鏡、光柵1.濾光片濾光片:由有色玻璃制成由有色玻璃制成作用：作用：當復合光透過濾光片時，經(jīng)濾光片選擇當復合光透過濾光片時，經(jīng)濾光片選擇性吸收，其透色光為一近似的單色光。性吸收，其透色光為一近似的單色光。濾光片質(zhì)量：濾光片質(zhì)量：用最大透光度用最大透光度T T和和T/2T/2兩點間的兩點間的波長差波長差衡量，其值越小越衡量，其值越小越好，常規(guī)值在好，常規(guī)值在30100nmnm，干涉，干涉濾光片其值可小于濾光片其值可小于5nm5nm復合濾光片復合濾光片:由兩塊有色玻璃由兩塊有色玻璃聯(lián)

3、合使用聯(lián)合使用(nm)TTmaxTmax/2(nm)T濾光片選擇濾光片選擇:濾光片透光率最大的濾光片透光率最大的波長與溶液最大的吸波長與溶液最大的吸收波長相同或相近收波長相同或相近互補原則、根據(jù)已知的被測物質(zhì)的最大吸收波長選互補原則、根據(jù)已知的被測物質(zhì)的最大吸收波長選擇濾光片、曲線法擇濾光片、曲線法用普通光學玻璃制作其玻璃的透光范圍在用普通光學玻璃制作其玻璃的透光范圍在300nm300nm以上；以上；紫外區(qū)用石英玻璃紫外區(qū)用石英玻璃2.棱鏡棱鏡: 利用棱鏡的散射作用，結(jié)合其他光學器件可獲得多種單色光利用棱鏡的散射作用，結(jié)合其他光學器件可獲得多種單色光當當i1 i2時，時，最小，即最小偏向角最小

4、，即最小偏向角21iii1i2偏向角偏向角i2i1ABCEF3.光柵光柵由刻有大量等寬、等距、平行線由刻有大量等寬、等距、平行線條的光學玻璃條的光學玻璃特點：特點：1cm內(nèi)可達萬條以上內(nèi)可達萬條以上 刻痕都相當于不易透光的毛玻璃刻痕都相當于不易透光的毛玻璃 利用光的衍射和干涉現(xiàn)象進行分光的利用光的衍射和干涉現(xiàn)象進行分光的mdsin滿足滿足產(chǎn)生明條紋產(chǎn)生明條紋光柵常數(shù)光柵常數(shù)衍射角衍射角衍射光的衍射光的波長波長光譜級次光譜級次三、光電元件三、光電元件作用：作用：將光能轉(zhuǎn)換成電能，轉(zhuǎn)換方法基于光電效應將光能轉(zhuǎn)換成電能，轉(zhuǎn)換方法基于光電效應. .光電效果：光電效果：光是由能量為光是由能量為hvhv的

5、粒子流組成，其打到不同性質(zhì)的粒子流組成，其打到不同性質(zhì)的光電元件材料上時，可產(chǎn)生不同的光電效應。的光電元件材料上時，可產(chǎn)生不同的光電效應。1.外光電效應：外光電效應：在光線照射下，電子由物體表面逸出。如在光線照射下，電子由物體表面逸出。如光電管和光電倍增管。光電管和光電倍增管。2.阻擋層光電效應：阻擋層光電效應：在光線作用某物體上，在物體上產(chǎn)生一在光線作用某物體上，在物體上產(chǎn)生一定方向的電動勢的現(xiàn)象。如光電池。定方向的電動勢的現(xiàn)象。如光電池。3.內(nèi)光電效應：內(nèi)光電效應：在光的作用下，物體的電阻率發(fā)生改變的現(xiàn)在光的作用下，物體的電阻率發(fā)生改變的現(xiàn)象。如光敏電阻。象。如光敏電阻。應用：應用：光電比

6、色計、分光光度計的光電轉(zhuǎn)換元件有光電比色計、分光光度計的光電轉(zhuǎn)換元件有光電管、光電倍增管和光電池光電管、光電倍增管和光電池（一）光電管（一）光電管2.工作原理：工作原理：暗電流：暗電流：當光電管的陰陽兩極間加上電壓時，當光電管的陰陽兩極間加上電壓時，在沒有光照的情況下，電路中有一在沒有光照的情況下，電路中有一微小的電流流過（微小的電流流過（10-9A）原因：原因：由漏電流、陰極熱電子、管內(nèi)殘余氣由漏電流、陰極熱電子、管內(nèi)殘余氣體的電離體的電離1.結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu):特點：特點： 光電陰極面積大，靈敏度較高，一般積分靈敏度可達光電陰極面積大，靈敏度較高，一般積分靈敏度可達20200A/lm；暗；暗 電流小

7、，最低可達電流小，最低可達10-14A。缺點：缺點：真空光電管一般體積都比較大、工作電壓高達百伏到數(shù)百伏、玻殼容易破真空光電管一般體積都比較大、工作電壓高達百伏到數(shù)百伏、玻殼容易破碎等。碎等。 真空光電管由玻殼、光電陰極和陽極三部分組成。為了防止氧化，將真空光電管由玻殼、光電陰極和陽極三部分組成。為了防止氧化，將管內(nèi)抽成真空。光電陰極即半導體光電發(fā)射材料，涂于玻殼內(nèi)壁，受管內(nèi)抽成真空。光電陰極即半導體光電發(fā)射材料，涂于玻殼內(nèi)壁，受光照時，可向外發(fā)射光電子。陽極是金屬環(huán)或金屬網(wǎng)，置于光電陰極光照時，可向外發(fā)射光電子。陽極是金屬環(huán)或金屬網(wǎng)，置于光電陰極的對面，加正的高電壓，用來收集從陰極發(fā)射出來的

8、電子。的對面，加正的高電壓，用來收集從陰極發(fā)射出來的電子。光電流：光電流：當某一頻率的光照射陰極時當某一頻率的光照射陰極時, ,陰極材料中的電子獲陰極材料中的電子獲得足夠的能量得足夠的能量, ,從陰極表面逸出從陰極表面逸出, ,在外電場的作用在外電場的作用下奔向陽極下奔向陽極, ,由此產(chǎn)生的電流為光電流。停止照射由此產(chǎn)生的電流為光電流。停止照射光電流便消失。光電流便消失。紅紅 限：限：入射光的頻率只有等于和大于某一極限頻率時，才入射光的頻率只有等于和大于某一極限頻率時，才能產(chǎn)生光電流，該極限頻率稱為紅限能產(chǎn)生光電流，該極限頻率稱為紅限特點：不同的材料制成的光電陰極紅限不同，陰極材料用特點：不同

9、的材料制成的光電陰極紅限不同，陰極材料用多種金屬或金屬化合物多種金屬或金屬化合物例如：光電管例如：光電管GD-5（紫敏）是（紫敏）是銻銫銻銫陰極，紅限陰極，紅限700nm GD-6(紅敏紅敏)是是銀氧銫銀氧銫陰極，紅限陰極，紅限1700nm逸出功逸出功(W)：電子從金屬表面逸出需克服金屬正離子的引力電子從金屬表面逸出需克服金屬正離子的引力而做的功而做的功,不同材料逸出功不同。不同材料逸出功不同。Whmv2213.3.光電管特性光電管特性光譜特性：光譜特性：當當紅紅時，光射到時，光射到同一光電管的陰極，同一光電管的陰極，I I0 0相同，但相同，但光電子數(shù)光電子數(shù)隨頻率的不同而變化隨頻率的不同而

10、變化的現(xiàn)象。的現(xiàn)象。光電特性：光電特性：當光電管陰極和陽極間加一定當光電管陰極和陽極間加一定電壓時，電壓時，光電流與入射光的光光電流與入射光的光通量通量的關(guān)系的關(guān)系光通量（光通量（lm）光光電電流流uA真空式真空式4006008001000246810相相對對靈靈敏敏度度(nm)(nm)充氣式充氣式 是將一標準黑體加熱，溫度升高到某一程度時顏色開始由紅是將一標準黑體加熱，溫度升高到某一程度時顏色開始由紅-淺紅淺紅-白白-藍白藍白-藍，逐藍，逐漸變化，利用這種光色變化的特性，某光源的光色與黑體在某一溫度下呈現(xiàn)的光色相漸變化，利用這種光色變化的特性，某光源的光色與黑體在某一溫度下呈現(xiàn)的光色相同時，

11、我們將黑體當時的絕對溫度同時，我們將黑體當時的絕對溫度K稱為該光源的相關(guān)色溫。稱為該光源的相關(guān)色溫。 靈敏度：靈敏度：單位光通量產(chǎn)生的光電流值單位光通量產(chǎn)生的光電流值積分靈敏度：積分靈敏度：以一定以一定色溫色溫的白光照射光電管的白光照射光電管陰極時產(chǎn)生光電流的大小來衡量陰極時產(chǎn)生光電流的大小來衡量單位：單位：uA/lm;真空式：真空式：2080uA/lm;充氣式：充氣式：40150uA/lm伏安特性：伏安特性：當光照一定時，光電管與工作當光照一定時，光電管與工作電壓的關(guān)系。電壓的關(guān)系。 當電壓達到一定值時，光電當電壓達到一定值時，光電流不再增加流不再增加工作電壓工作電壓光光電電流流uA充氣式充

12、氣式真空式真空式（二）光電倍增管（二）光電倍增管構(gòu)造：構(gòu)造：有光陰極、陽極、倍有光陰極、陽極、倍增電極組成增電極組成光電倍增管的供電模式光電倍增管的供電模式工作原理：工作原理：在電場作用下，電極將被加速、轟擊到第一倍增極在電場作用下，電極將被加速、轟擊到第一倍增極上，發(fā)射出上，發(fā)射出2525倍的二次電子，依次類推，最后聚集倍的二次電子，依次類推，最后聚集到陽極上的電子數(shù)可達陰極電子數(shù)的到陽極上的電子數(shù)可達陰極電子數(shù)的10106 6倍。倍。niIM光電管噪聲：光電管噪聲：暗電流和發(fā)射噪聲暗電流和發(fā)射噪聲光陰極電流光陰極電流陽極電流陽極電流二次發(fā)射二次發(fā)射系數(shù)系數(shù)倍增電極倍增電極數(shù)目數(shù)目陰極和倍增

13、電極的熱電子發(fā)陰極和倍增電極的熱電子發(fā)射及玻璃外殼的漏電流引起射及玻璃外殼的漏電流引起電流流經(jīng)光電倍增管時引起的電流流經(jīng)光電倍增管時引起的波動，是頻率均勻的交流信號波動，是頻率均勻的交流信號光電管特點：光電管特點：靈敏度高，惰性小，放大倍數(shù)高，信噪比大、線靈敏度高，惰性小，放大倍數(shù)高，信噪比大、線性關(guān)系好等優(yōu)點，同時需要負高壓電源性關(guān)系好等優(yōu)點，同時需要負高壓電源（三）光電池（三）光電池光電池基本結(jié)構(gòu)：光電池基本結(jié)構(gòu)：光電池的基本結(jié)構(gòu)就是一個光電池的基本結(jié)構(gòu)就是一個PN結(jié)。結(jié)。按材料分，有硅、硒、硫化鎘、砷化按材料分，有硅、硒、硫化鎘、砷化鎵和無定型材料的光電池等。鎵和無定型材料的光電池等。硒

14、光電池硒光電池鋁（正極）鋁（正極）硒硒氧化鎘氧化鎘負極負極+ + + + + + +- - - - -照射前：照射前：硒和氧化鎘的電子逸出功不同，氧化鎘電子易向硒擴硒和氧化鎘的電子逸出功不同，氧化鎘電子易向硒擴散形成正負偶電層（阻擋層）散形成正負偶電層（阻擋層）照射后：照射后：硒中束縛電子吸收光子后變?yōu)樽杂呻娮?，在阻擋層?nèi)電硒中束縛電子吸收光子后變?yōu)樽杂呻娮樱谧钃鯇觾?nèi)電場的作用下，越過界面到達氧化鎘和集電環(huán)，產(chǎn)生光生電動勢場的作用下，越過界面到達氧化鎘和集電環(huán)，產(chǎn)生光生電動勢結(jié)構(gòu)：結(jié)構(gòu)：硒光電池的光譜特性硒光電池的光譜特性400600800100020406080100相相對對靈靈敏敏度度(nm)(nm)硒光電池（硒光電池（570nm）硅光電池硅光電池光通量（光通量（lm）光光電電流流uA100020050硒光電池的疲勞現(xiàn)象硒光電池的疲勞現(xiàn)象: :強光照射下，光電流很快升高到一最強光照射下，光電流很快升高到一最大值，然后開始下降出現(xiàn)疲勞現(xiàn)象，光越強疲勞現(xiàn)象越大值，然后開始下降出現(xiàn)疲勞現(xiàn)象，光越強疲勞現(xiàn)象越顯著，置于暗處恢復顯著，置于暗處恢復硅光電池：在光照射下硅中的電子吸收光