УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ПОТЕНЦИАЛА

Полезная модель относится к области электрохимии и может быть использована для исследования полупроводниковых свойств и структурных характеристик тонких пленок труднорастворимых продуктов анодного растворения металлов и сплавов.
Известна установка для определения фотоэлектрической поляризации (статья Е.К.Оше, И.Л.Розенфельд «Метод определения характера и степени отклонения от стехиометрии поверхностных окислов на металлах в растворах электролитов», сборник «Новые методы исследования коррозии металлов», М., «Наука», 1973, стр.35-46).
Недостатком этой установки является использование ртутной лампы, которая требует применения механического модулятора света, системы охлаждения, коллимации и фокусировки светового потока, а в спектральных исследованиях - и монохроматора. Кроме того, что эти элементы усложняют установку, они вносят дополнительные шумы.
Известна установка (статья Е.С.Нимон, А.В.Чуриков, И.М.Гамаюнов, А.Л.Львов «Исследование пассивирующих пленок на Li-электроде методом фотоэлектронной эмиссии» «Электрохимия», 1995, том 31, №10, стр.1137-1143) для измерения фотоэлектрической поляризации, использующая в качестве импульсного источника света ксеноновую лампу. Она также содержит конденсорную систему и светосильный монохроматор.
Недостатком этой установки является необходимость наличия конденсорной системы и монохроматора, что усложняет настройку и эксплуатацию устройства.
Для обеспечения постоянной интенсивности освещения приходится калибровать осветительную систему во всем использованном спектральном диапазоне с помощью аттестованных фотодиодов ФД-24К и фотоэлемента
Ф-25. Как для любого лампового источника, характерна большая инерционность и высокий уровень электрических наводок.
Известна измерительная установка (статья Е.С.Нимон, А.В.Чуриков, Ю.И.Харкац «Релаксационные фототоки при электронной эмиссии из лития в поверхностную пассивирующую пленку», «Электрохимия», 1997, том 33, №4, стр.385-396), в которой в качестве источника света использован импульсный лазер, что удорожает установку, и тоже дает электрические наводки. Наличие запоминающего осциллографа, который должен работать синхронно с лазером, требует применения синхронизатора, что усложняет установку.
Наиболее близкой по технической сущности к предлагаемой является автоматизированная микропроцессорная система измерений фотоэлектрического потенциала, представленная в статье П.А.Зимина, Т.Ю.Зиминой «Автоматическая микропроцессорная система для измерений фотоэлектрического потенциала в электролитах, «Защита металлов», 2000, том 36, №5, стр.557-560, принятая за прототип.
На фиг.1 представлена схема устройства-прототипа, где обозначено:
1 - источник света;
2 - конденсоры;
3 - прерыватель света;
4 - объектив;
5 - трехэлектродная электрохимическая ячейка;
6 - усилитель, интегрированный в гальваностат;
7 - двенадцатибитный аналого-цифровой преобразователь (АЦП);
8 - компьютер;
9 - мотор.
Устройство-прототип содержит источник света 1, вблизи которого расположена система конденсоров 2, включающая прерыватель света 3, снабженный мотором 9. За системой конденсоров 2 размещены объектив 4 и трехэлектродная электрохимическая ячейка 5, в которой находится
исследуемый образец - рабочий электрод, а также вспомогательный электрод и электрод сравнения. Электрохимическая ячейка 5 соединена с усилителем, интегрированным в гальваностат 6, который через двенадцатибитный АЦП 7 соединен с компьютером 8 со встроенным синхронизатором.
Работает установка-прототип следующим образом.
Импульсы ультрафиолетового (УФ) света с частотой 50 Гц от источника света 1 через систему конденсоров 2, прерыватель света 3 и объектив 4 падают на образец, находящийся в электрохимической ячейке 5, наполненной электролитом. Фотоэлектрические сигналы, полученные от образца, усиливаются усилителем, интегрированным в гальваностат 6. Для уменьшения шума применены цифровые методы регистрации и фильтрации сигнала. Двенадцатибитный АЦП 7 измеряет фотоэлектрическую поляризацию, данные непрерывно поступают на регистрирующий прибор - компьютер 8 вместе с сигналами от датчика синхронизации, встроенного в компьютер 8.
ФЭП
Программа управления, задаваемая на компьютере 8, определяет период вращения прерывателя света 3, производит накопление сигнала за заданное время t и выводит данные на монитор в виде диаграммы U=f(t), а также определяет амплитуду, максимум и минимум импульса фотоэлектрической поляризации и текущую частоту прерывателя 3. Все данные записываются в файл для последующей обработки.
Недостатками устройства-прототипа является необходимость использования сложной системы конденсоров для сужения (фокусировки) светового потока от УФ лампы, прерывателя света (модулятора) для создания импульсного режима освещения, дорогого монохроматора для спектральных исследований, синхронизатора для стабилизации изображения сигнала фотоэлектрической поляризации. Сохраняются и перечисленные выше недостатки, связанные с использованием ламповых источников освещения - высокая инерционность, необходимость охлаждения системы, электрические
наводки, образование значительных количеств озона и крупные габариты устройства.
Для устранения указанных недостатков в устройство, содержащее источник света, трехэлектродную электрохимическую ячейку, усилитель, двенадцатибитный АЦП и компьютер, согласно полезной модели, введены генератор прямоугольных импульсов с блоком стабилизации амплитуды импульсов, коллиматор и высокочастотный разъем, при этом в качестве источника света использован светоизлучающий диод, между которым и трехэлектродной ячейкой, помещенной в пермаллоевый экран, расположен коллиматор, кроме того, усилитель снабжен активным фильтром высоких частот пятого порядка, помещен в пермаллоевый корпус и соединен высокочастотным разъемом с электрохимической ячейкой.
Схема предлагаемого устройства для измерения фотоэлектрического потенциала и фототока приведена на фиг.2, где обозначено:
1 - светодиод (источник света);
2 - генератор прямоугольных импульсов с блоком стабилизации амплитуды импульсов;
3 - коллиматор;
4 - пермаллоевый экран;
5 - трехэлектродная электрохимическая ячейка;
6 - усилитель;
6.1 - пермаллоевый корпус усилителя;
7 - аналого-цифровой преобразователь (АЦП);
8 - компьютер;
9 - высокочастотный разъем.
Предлагаемое устройство содержит излучающий светодиод 1, соединенный с генератором прямоугольных импульсов с блоком стабилизации амплитуды импульсов 2, позволяющим получить импульсы света длительностью 0,5-10 мс с регулируемой частотой генерации 0,5-500 Гц, и с точностью поддержания амплитуды импульса ±0.01 В; возможен
также переход в режим непрерывного излучения. Так как генератор 2 поддерживает практически постоянное значение частоты импульсов, то синхронизатор не требуется. Трехэлектродная электрохимическая ячейка 5 содержит исследуемый образец - рабочий электрод, а также вспомогательный электрод и электрод сравнения. Между светодиодом 1 и трехэлектродной ячейкой 5 расположен коллиматор 3. Электрохимическая ячейка 5 помещена в пермаллоевый заземленный экран 4, предназначенный для устранения магнитных наводок. Усилитель 6 содержит активный фильтр высоких частот пятого порядка. Он собран в пермаллоевом корпусе 6.1 и размещен на крышке электрохимической ячейки 5, с которой соединен высокочастотным разъемом 9. Выход усилителя 6 через АЦП 7 соединен с компьютером 8. Потенциостат П-5827, предназначенный для поляризации рабочего электрода, на схеме не показан, так как фотоэлектрические измерения ведутся после окончания формирования пленки продуктов анодного растворения и отключения поляризации.
Работает предлагаемое устройство следующим образом.
Возбуждаемые генераторов 2 импульсы света от светодиода 1 через коллиматор 3 попадают на исследуемый образец, расположенный в трехэлектродной ячейке 5, заполненной электролитом. Сигнал фотоэлектрической поляризации поступает с трехэлектродной ячейки 5 на усилитель 6.
С выхода усилителя 6 сигнал поступает на двенадцатибитный АЦП 7, представляющий собой, например, звуковую карту ES1868F, обеспечивающую линейную характеристику преобразования в интервале входных напряжений (1÷200 мВ) с максимальной частотой дискретизации 44,1 кГц. Накопление и цифровая обработка сигнала осуществляется компьютером 8 при помощи программного комплекса PowerGraph 2.0.
Одной из основных проблем регистрации фотоэлектрической поляризации является обеспечение максимально высокого отношения «сигнал/шум» в тракте регистрации напряжения. Для этого используется
специально сконструированный усилитель 6, помещенный в пермаллоевый корпус 6.1 и имеющий возможность отсечения высокочастотных шумов, высокочастотный разъем 9, расположенный на крышке трехэлектродной ячейки 5, и пермаллоевый экран 4.
По сравнению с прототипом предлагаемое устройство для проведения фотоэлектрохимических измерений более просто и дешево в изготовлении и эксплуатации, имеет небольшие габариты и низкое энергопотребление. Использование светоизлучающего диода с монохроматическим излучением в качестве источника света позволяет упростить схему устройства, т.к. не требует монохроматора, модулятора, конденсоров и системы охлаждения. Кроме того, предлагаемое устройство позволяет осуществить изменение в широких пределах длительности и частоты повторения прямоугольных импульсов света, а также интенсивности излучения. Имеется возможность для проведения спектроскопических исследований, используя набор светодиодов с различными значениями длины волны.
Использование усилителя 6, содержащего активный фильтр высоких частот пятого порядка, и пермаллоевого экрана 4, обеспечивает пониженный уровень шумовой компоненты сигнала фотоэлектрической поляризации. Применение АЦП и компьютера осуществляет его последующее накопление и цифровую обработку.