Detecteurs
Dans le contexte des spectrophotomètres, le terme "détecteur" fait référence à un élément récepteur de lumière qui absorbe l'énergie de la lumière et induit par conséquent un changement électrique. Les types de conversion photoélectrique incluent l'effet photoélectrique externe, dont une forme importante est l'émission photoélectrique d'une surface photoélectrique dans un vide, et l'effet photoélectrique interne, dans lequel les photoélectrons sont excités dans une bande de conduction. Un exemple représentatif d'un détecteur basé sur le premier type d'émission photoélectrique est le tube photomultiplicateur. Ici, parmi les différents aspects des spectrophotomètres décrits dans la lettre UV Talk Vol. 2, "La Structure d'un Spectrophotomètre," nous examinerons de plus près ces "détecteurs".
1. Introduction
Le mécanisme de détection de la lumière et de conversion en signaux que nous connaissons le mieux est le nerf optique humain. L'œil humain détecte la lumière dans une plage de longueurs d'onde d'environ 400 à 700 nm et envoie des signaux au cerveau via le tissu nerveux. On pourrait dire que l'œil est le détecteur optique de la lumière visible que nous connaissons le mieux. L'œil humain est sensible à la lumière dans la région visible et est le plus sensible à la lumière verte avec une longueur d'onde d'environ 550 nm. De la même manière, les détecteurs dans les spectrophotomètres ont également une plage de longueurs d'onde pour laquelle ils peuvent être utilisés, et leur sensibilité varie avec la longueur d'onde. Les détecteurs représentatifs avec une sensibilité dans la région ultraviolette et visible incluent le tube photomultiplicateur et la photodiode au silicium. En ce qui concerne les détecteurs proche infrarouge, les éléments photoconducteurs PbS étaient exclusivement utilisés dans le passé, bien que de nos jours, il existe des instruments dans lesquels des photodiodes InGaAs sont utilisées pour une partie de la région proche infrarouge. La Fig. 2 montre la relation entre divers détecteurs et les plages de longueurs d'onde.
Fig.1 Structure d'un Spectrophotomètre
Fig.2 Détecteurs et Plages de Longueurs d'Onde
2. Tube Photomultiplicateur
Un tube photomultiplicateur utilise l'effet photoélectrique externe, le phénomène selon lequel des photoélectrons sont émis lorsqu'une lumière frappe une surface photoélectrique. La Fig. 3 illustre le principe de fonctionnement d'un tube photomultiplicateur. Les photoélectrons émis par une surface photoélectrique (c'est-à-dire les électrons primaires) provoquent l'émission successive d'électrons secondaires à partir des dynodes (électrodes de multiplication d'électrons) disposés en plusieurs étapes, et cette cascade atteint finalement une anode. Si un électron primaire provoque l'émission de δ électrons secondaires, et que ce processus est répété n fois, alors un facteur de multiplication de δn est obtenu. Parce que les tubes photomultiplicateurs produisent finalement une grande sortie pour un faible niveau d'intensité lumineuse, leur caractéristique la plus importante est qu'ils offrent un niveau de sensibilité exceptionnel, qui ne peut être obtenu avec d'autres capteurs optiques. δ est appelé le "coefficient d'émission secondaire". Une haute tension (-HV) est appliquée de l'extérieur du tube pour accélérer les électrons.
Fig.3 Principe de Fonctionnement du Tube Photomultiplicateur
Plus la valeur de cette tension est élevée, plus le coefficient d'émission secondaire est grand. Une autre caractéristique d'un tube photomultiplicateur est donc que le facteur de multiplication peut être ajusté en contrôlant cette haute tension. Si l'intensité lumineuse est suffisante, la tension est diminuée. Si l'intensité lumineuse diminue, la tension est augmentée. Si la fente est changée, ou si des accessoires qui causent des diminutions importantes de l'intensité lumineuse, tels que des sphères intégrantes, sont utilisés, les avantages offerts par ce tube photomultiplicateur deviennent particulièrement importants. Pour cette raison, les tubes photomultiplicateurs sont utilisés dans les instruments de haute qualité.
La relation entre la sensibilité d'une surface photoélectrique et la longueur d'onde de la lumière incidente est appelée la "caractéristique de sensibilité spectrale". Elle est principalement déterminée par le matériau de la surface photoélectrique. La Fig. 4 montre la caractéristique de sensibilité spectrale d'une surface photoélectrique multi-alcaline qui a une sensibilité dans la région ultraviolette et visible.
Fig.4 Caractéristique de Sensibilité Spectrale du Tube Photomultiplicateur2)
3. Photodiode au Silicium
Une photodiode au silicium utilise l'effet photoélectrique interne, le phénomène selon lequel les propriétés électriques du détecteur lui-même changent lorsqu'une lumière le frappe. Comme son nom l'indique, une photodiode au silicium est un semi-conducteur. Lorsque la lumière frappe ce semi-conducteur, si l'énergie de la lumière est supérieure à la bande interdite, les électrons de la bande de valence sont excités dans la bande de conduction, et des trous sont laissés dans la bande de valence d'origine. Comme montré dans la Fig. 5, ces paires électron-trou sont créées dans tout le semi-conducteur, mais dans la région de déplétion, le champ électrique provoque l'accélération des électrons vers la région N et l'accélération des trous vers la région P. En conséquence, les électrons s'accumulent dans la région N et les trous s'accumulent dans la région P, et les deux régions deviennent respectivement chargées négativement et positivement. Si cela est connecté à un circuit, le courant circule.
Fig.5 Modèle Énergétique de la Photodiode au Silicium
La bande interdite du silicium est d'environ 1,12 eV, donc le courant circule uniquement pour les longueurs d'onde ayant une énergie optique supérieure à cette valeur. Cela correspond à une limite de longueur d'onde d'environ 1 100 nm. La Fig. 6 montre la caractéristique de sensibilité spectrale d'une photodiode au silicium.
Les photodiodes au silicium présentent certains avantages par rapport aux tubes photomultiplicateurs : elles sont moins chères ; il y a peu d'inégalité de sensibilité sur leurs surfaces réceptrices de lumière ; et elles ne nécessitent pas d'alimentation dédiée. Même en ce qui concerne la sensibilité, si l'intensité lumineuse est relativement élevée, elles peuvent fournir des données photométriques qui ne sont en aucun cas inférieures à celles obtenues avec des photomultiplicateurs. Si l'intensité lumineuse est relativement faible, cependant, parce que les signaux sont amplifiés dans le circuit électronique qui donne un courant, l'augmentation du facteur d'amplification diminue la vitesse de réponse.
Fig.6 Caractéristique de Sensibilité Spectrale de la Photodiode au Silicium3)
4. Photodiode InGaAs
Fig.7 Caractéristique de Sensibilité Spectrale de la Photodiode InGaAs3)
Le phosphure d'indium-gallium (InGaAs) est un semi-conducteur composé. Comme une photodiode au silicium, une photodiode InGaAs est un élément photovoltaïque qui a une jonction P-N. Cependant, l'énergie de la bande interdite de l'InGaAs est plus petite que celle du silicium, donc elle absorbe la lumière de plus longues longueurs d'onde. Cela signifie que les photodiodes InGaAs sont sensibles aux longueurs d'onde qui dépassent la plage des photodiodes au silicium. La Fig. 7 montre la caractéristique de sensibilité spectrale d'une photodiode InGaAs.
5. Élément Photoconducteur PbS
Un élément photoconducteur est un élément de conversion photoélectrique qui utilise le phénomène de photoconduction, selon lequel la conductivité électrique (résistance) d'un matériau change lorsqu'il est irradié par la lumière. La Fig. 8 illustre le principe de fonctionnement. Lorsque la lumière d'une énergie supérieure à l'écart énergétique entre la bande de conduction et la bande de valence frappe l'élément, les électrons de la bande de valence sont excités dans la bande de conduction, et des trous sont créés dans la bande de valence. Avec un élément photoconducteur PbS, la résistance est réduite en fonction de l'intensité de la lumière incidente, et cela est obtenu comme un signal à l'aide d'un circuit externe.
Fig.8 Principe de Fonctionnement de l'Élément Photoconducteur
Si l'élément est refroidi, la caractéristique de sensibilité spectrale se déplace vers l'extrémité des longues longueurs d'onde ; en conséquence, l'élément devient plus sensible aux longues longueurs d'onde. Cependant, en même temps, la vitesse de réponse diminue. Bien que les éléments photoconducteurs PbS puissent, contrairement à certains autres éléments de détection proche infrarouge, être utilisés à température ambiante, ils restent des éléments délicats pour lesquels la sensibilité, la vitesse de réponse et la résistance à l'obscurité changent en fonction de la température. La Fig. 9 montre la caractéristique de sensibilité spectrale d'un élément photoconducteur PbS.
Fig.9 Caractéristique de Sensibilité Spectrale de l'Élément Photoconducteur PbS3)
