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Spektrometerkomponenten

Quantendetektoren

Photozelle (äußerer Photoeffekt)

Beim Bestrahlen einer Kathode aus Alkalimetall-Legierungen werden Elektronen freigesetzt, wenn die zugeführte Lichtenergie größer ist als die Austrittsenergie A der Elektronen aus dem Metall.

Die Wellenlänge des Bestrahlungslichts muss mindestens gleich der sogenannten Grenzwellenlänge sein. ( λ 0 = h c A ).

Durch Anlegen einer äußeren Spannung fließt ein sogenannter Photostrom, der bei Vakuumphotozellen direkt proportional zur Bestrahlungsstärke ist.

Photozellen sind aufgrund des verwendeten Metalls nur für den Wellenlängenbereich unterhalb 660nm geeignet.

Photomultiplier (äußerer Photoeffekt)

Wie bei den Photozellen fällt Licht durch ein (UV-durchlässiges) Fenster auf eine Kathode und setzt dort Photoelektronen frei. An nachfolgenden Sekundärelektroden (Dynoden) werden kaskadenartig weitere Elektronen herausgelöst. Insgesamt wird der Photostrom auf das 10 6 - bis 10 7 -fache verstärkt.

Für die 8 bis 14 Dynoden in der Vakuumglasröhre sind verschiedene Anordnungen möglich (head-on, side-on), wobei der head-on-Photomultiplier mit großer Rundkathode einen größeren Raumwinkel erfassen kann und vor allem für signalschwache Prozesse im medizintechnischen Bereich verwendet wird.

Photomultiplier sind apparativ aufwendige und teure, aber sehr empfindliche Detektoren mit wellenlängenabhängigem Signal und kurzer Ansprechzeit (1 bis 15ns). Der Zusammenhang zwischen Photostrom und Bestrahlungsstärke ist über mehrere Dekaden (max. 10) linear.

Ohne Beleuchtung fließt ein durch thermische Prozesse erzeugter Dunkelstrom, der die Empfindlichkeit verringert.

Photomultiplier eignen sich für einen Wellenlängenbereich von etwa 150 bis 1000nm, werden aber vor allem zur Detektion im UV/VIS-Bereich eingesetzt.

Photoelement (innerer Photoeffekt)

Bei Bestrahlung eines Halbleiters mit pn-Grenzschicht werden Elektronen vom Valenz- ins Leitungsband angehoben und damit frei beweglich. Gleichzeitig werden Elektron-Loch-Paare erzeugt, deren Konzentration von der Lichtintensität abhängt.

Die Trennung der Paare an der pn-Fläche erzeugt eine Spannung, die mit der Bestrahlungsstärke logarithmisch zunimmt.

Photoelemente werden ohne Fremdspannung betrieben.

Photodiode (innerer Photoeffekt)

In Photodioden wird das wie bei Photoelementen an der Oberfläche erzeugte elektrische Feld durch eine äußere Sperrspannung verstärkt. Aufgrund des endlichen Innenwiderstands der Photodiode fließt auch ohne Beleuchtung ein Sperrstrom (Dunkelstrom).

Bei Bestrahlung wird ein zusätzlicher Photostrom erzeugt, der von der Konzentration der lichtinduzierten Elektronen-Loch-Paare abhängt und streng proportional zur Bestrahlungsstärke ist.

Photodioden sind sehr empfindlich und zur Verfolgung schneller Vorgänge geeignet.

Photodiodenarray (innerer Photoeffekt)

Die lineare Anordnung von 512, 1024 oder 2048 Einzelphotodioden in der Bildebene eines Spektrometers ermöglicht die gleichzeitige Detektion eines größeren Wellenlängenbereichs.

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