Основной энергетической характеристикой любого приемника является его чувствительность к падающему излучению

Лекция №2

Эффективные величины. Измерение эффективных величин.

Принципы установления систем эффективных величин.

Энергия излучения, упавшая на какое-либо тело и частично поглощенная им, превращается в иной вид движения материи – в иную форму энергии. Тела, в которых преобразуется энергия излучения, называются приемниками энергии излучения, или приемниками излучения.

Энергия, которая преобразуется в приемнике излучения в другой полезный вид энергии, называется эффективной энергией излучения, или мерой реакции приемника на облучение.

Основной энергетической характеристикой любого приемника является его чувствительность к падающему излучению.

Интегральная чувствительность приемника, т.е. чувствительность к сложному излучению, характеризуется отношением эффективной части энергии ко всей энергии излучения, падающей на приемник:

Графически чувствительность приемника равна отношению площадей фигур, ограниченных кривыми спектрального распределения эффективной энергии приемника Ф_эф(λ) и спектральной плотности потока излучения Ф_е (λ), и осью длин волн (рис.1).

Ф_е (λ)

Ф_эф(λ)

Рис. 1. Спектральное распределение эффективной энергии приемника Ф_эф(λ) и плотности потока излучения Ф_е(λ).

Большинство приемников обладает т. наз. избирательностью поглощения энергии излучения и избирательностью реакции на поглощенную энергию (кривая Ф_эф(λ) на рис.1). Для оценки чувствительности приемника к однородным излучениям введено понятие спектральной чувствительности g(λ). Спектральная чувствительность – это отношение эффективного потока монохроматического излучения к падающему потоку данного монохроматического го излучения.

Спектральная чувствительность селективных приемников излучения, выраженная графически, представляет собой кривую g(λ), имеющую в определенных частях спектра.

Спектральная чувствительность – основная фотометрическая характеристика приемника излучения. Эффективная энергия определяет меру реакции данного приемника на падающее на него излучение, поэтому выражается в единицах, характеризующих эту реакцию. Например, если приемником служит фотоэлемент, то эффективная энергия может быть выражена в единицах, характеризующих фотоэффект – mA (Или: количество вещества, вступающего в реакцию в единицу времени – при фотохимических приемниках). След., как интегральная, так и спектральная чувствительность могут быть выражены в именованных единицах – Лм/Вт, В/Вт, mA/Вт, мг/Вт и т.д. Например, это может быть ток фотоэлемента по отношению к мощности падающего на него излучения – 50 mA/Вт; или какое-то количество вещества, образовавшегося под действием излучения, по отношению к мощности этого излучения – 10 мг/Вт.

На рис.2 представлена кривая спектральной чувствительности кремниевого фотодиода.

Рис. 2. Спектральная чувствительность кремниевого фотодиода.

Если этот кривой спектральной чувствительности принять за единицу, то спектральная чувствительность приемника к излучению с данной длиной волны может быть выражена относительной величиной в долях от максимальной:

где k(λ) – относительная спектральная чувствительность.

g(λ)

g_max

λ

k(λ)

λ

Рис. 3. Функции спектральной чувствительности приемника g(λ) и относительной спектральной чувствительности k (λ).

Определим меру реакции приемника на конкретное излучение при помощи выражения

Суммарное действие всех монохроматических составляющих излучения в спектральном диапазоне λ₁… λ_n получим интегрированием этого выражения:

Т. о., мера реакции приемника на облучение в единицу времени представляет собой эффективную мощность Ф_эф, составляющую часть полной мощности Ф_е излучения и называемую эффективным потоком излучения.

Этот интеграл можно представить графически в виде площади S_эф; при этом S_е - графическое отображение полного потока Ф_е излучения.

Рис. 4. К расчету эффективного потока излучения.

Этот интеграл решить аналитически бывает невозможно, поэтому прибегают к графическому методу:

где - масштаб площади фигур, Вт/мм².

Тогда:

где S_эф – площадь фигуры.

Говоря об эффективном потоке излучения, имеют в виду не только часть потока излучения, которая преобразовалась и выразилась в реакции на облучение. Часто имеется в виду потенциальная эффективность источника излучения. Любой поток излучения может иметь эффективную часть.

Все величины ОИ, представленные в эффективной форме, называются эффективными. Приняты 4 системы эффективных величин: фотосинтезных, световых, витальных и бактерицидных. В основе каждой из систем фотобиологическое действие определенного вида.

При установлении системы эффективных величин учитывают тот факт, что все реальные приемники излучения данной группы (глаза разных людей) неодинаковы по своим спектральным характеристикам и не могут служить эталоном. Поэтому в качестве эталона выбирают некий средний приемник и стандартизируют его спектральную характеристику. Стандартизированная функция спектральной эффективности должна:

1. Отображать спектральные свойства группы приемников, объединенных по данному конкретному виду фотобиологического действия

2. Не изменяться от внешних воздействий, количества и спектрального состава излучения, падающего на приемник.

При этом условно считают, что эта характеристика не меняется от внешних воздействий, количества и спектрального состава ОИ, падающего на приемник. В действительности это условие не выполняется. Спектральные характеристики биологических приемников излучения не остаются неизменными во времени и зависят от множества внешних факторов, учесть которые невозможно. Поэтому просто принимают это допущение, которое позволяет рассчитать реакцию преемника на сложное излучение путем суммирования элементарных реакций на монохроматические составляющие этого излучения (свойство аддитивности).