تحریک نوری

      از ویکیپدیا، دانشنامه آزاد

      تحریک نوری در کریستال

      فتوتحرک تولید حالت برانگیخته یک سیستم کوانتومی توسط جذب فوتون است. حالت برانگیخته از برهمکنش بین فوتون و سیستم کوانتومی سرچشمه می گیرد . فوتون ها حامل انرژی هستند که با طول موج نوری که فوتون ها را حمل می کند تعیین می شود. [1] اجسامی که نور با طول موج‌های بلندتر ساطع می‌کنند، فوتون‌هایی ساطع می‌کنند که انرژی کمتری دارند. بر خلاف آن، نور با طول موج کوتاه‌تر فوتون‌هایی با انرژی بیشتری ساطع می‌کند. هنگامی که فوتون با یک سیستم کوانتومی برهمکنش می کند، بنابراین مهم است که بدانیم با چه طول موجی سروکار داریم. طول موج کوتاهتر نسبت به طول موجهای بلندتر انرژی بیشتری را به سیستم کوانتومی منتقل می کند.

      در مقیاس اتمی و مولکولی، تحریک نوری فرآیند فوتوالکتروشیمیایی تحریک الکترون توسط جذب فوتون است ، زمانی که انرژی فوتون برای ایجاد فوتیونیزاسیون بسیار کم است . جذب فوتون مطابق با نظریه کوانتومی پلانک صورت می گیرد.

      تحریک نوری در فوتوایزومریزاسیون نقش دارد و در تکنیک های مختلف مورد استفاده قرار می گیرد:

      • سلول‌های خورشیدی حساس‌شده با رنگ از تحریک نوری با بهره‌برداری از آن در سلول‌های خورشیدی ارزان‌تر تولید انبوه استفاده می‌کنند. [2] سلول های خورشیدی برای گرفتن و جذب هر چه بیشتر فوتون های انرژی بالا به سطح وسیعی متکی هستند. طول موج‌های کوتاه‌تر در مقایسه با طول‌موج‌های بلندتر برای تبدیل انرژی کارآمدتر هستند، زیرا طول‌موج‌های کوتاه‌تر فوتون‌هایی را حمل می‌کنند که غنی‌تر از انرژی هستند . بنابراین نور حاوی طول موج های کوتاه تر باعث تبدیل انرژی طولانی تر و کمتر در سلول های خورشیدی حساس به رنگ می شود.
      • فتوشیمی
      • لومینسانس
      • لیزرهای پمپ شده نوری از تحریک نوری استفاده می‌کنند به نحوی که اتم‌های برانگیخته در لیزرها یک شکاف مستقیم عظیم مورد نیاز برای لیزرها را دریافت می‌کنند. [3] تراکم مورد نیاز برای وارونگی جمعیت در ترکیب Ge، ماده‌ای که اغلب در لیزرها استفاده می‌شود، باید 1020 سانتی‌متر 3 باشد و این از طریق تحریک نوری به دست می‌آید. تحریک نوری باعث می شود که الکترون های اتم به حالت برانگیخته بروند. لحظه ای که مقدار اتم ها در حالت برانگیخته بیشتر از مقدار در حالت پایه معمولی باشد، وارونگی جمعیت رخ می دهد. وارونگی، مانند آنچه در ژرمانیوم ایجاد می شود ، این امکان را برای مواد فراهم می کند که به عنوان لیزر عمل کنند.
      • کاربردهای فتوکرومیک فتوکرومیسم با جذب فوتون باعث تبدیل دو شکل از یک مولکول می شود. [4] به عنوان مثال، مولکول BIPS ( 2H-l-benzopyran-2,2-indolines ) می تواند با جذب یک فوتون، از ترانس به سیس و برگشت تبدیل شود. اشکال مختلف با نوارهای جذب متفاوتی همراه است. در شکل cis از BIPS، نوار جذب گذرا دارای مقدار 21050 cm -1 است ، برخلاف نوار شکل trans-1، که دارای مقدار 16950 cm -1 است . نتایج به صورت نوری قابل مشاهده بودند، جایی که BIPS در ژل ها پس از قرار گرفتن مکرر در معرض پرتو پمپ UV با انرژی بالا از ظاهری بی رنگ به رنگ قهوه ای یا صورتی تبدیل شد. فوتون های پر انرژی باعث ایجاد دگرگونی در مولکول BIPS می شوند که باعث می شود مولکول ساختار خود را تغییر دهد.

      در مقیاس هسته ای، تحریک نوری شامل تولید رزونانس های نوکلئون و دلتا باریون در هسته است.

      منابع [ ویرایش ]

      1. ^ Pelc، JS; ما، ال. فیلیپس، CR; ژانگ، کیو. لانگروک، سی. Slattery، O.; تانگ، ایکس. Fejer، MM (2011-10-17). آشکارساز تک فوتون مبدل با طول موج بلند در 1550 نانومتر: تحلیل عملکرد و نویز . اپتیک اکسپرس . 19 (22): 21445-56. Bibcode : 2011OExpr..1921445P . doi : 10.1364/oe.19.021445 . ISSN 1094-4087 . PMID 22108994 . S2CID 33169614 .
      2. ^ قانون، مت. گرین، لری ای. جانسون، جاستین سی. سایکالی، ریچارد؛ یانگ، پیدونگ (2005-05-15). سلول های خورشیدی حساس به رنگ نانوسیم. مواد طبیعی 4 (6): 455-459. Bibcode : 2005NatMa...4..455L . doi : 10.1038/nmat1387 . ISSN 1476-1122 . PMID 15895100 . S2CID 37360993 .
      3. ^ کارول، لی؛ فریدلی، پیتر؛ نوینشواندر، استفان؛ سیگ، هانس؛ سیچی، استفانو؛ عیسی، فابیو؛ کرستینا، دانیل؛ ایسلا، جیووانی؛ فدوریشین، یوری؛ Faist, Jérôme (01-08-2012). "گاف مستقیم و جذب نوری در ژرمانیوم مرتبط با چگالی حامل های تحریک شده با نور، دوپینگ و کرنش" . نامه های بررسی فیزیکی 109 (5): 057402. Bibcode : 2012PhRvL.109e7402C . doi : 10.1103/physrevlett.109.057402 . ISSN 0031-9007 . PMID 23006206 .
      4. ^ پرستون، دی. POUXVIEL، J.-C.; نوینسون، تی. KASKA، WC; دان، بی. ZINK، JI (1990-09-11). "ChemInform Abstract: Photochromism Spiropyrans در ژل های آلومینوسیلیکات". ChemInform . 21 (37). doi : 10.1002/chin.199037109 . ISSN 0931-7597 .
      : ملیاین را در ویکی داده ویرایش کنید

      دسته بندی ها :

      https://en.wikipedia.org/wiki/Photoexcitation

      + نوشته شده در دوشنبه بیست و پنجم دی ۱۴۰۲ ساعت 20:8 توسط علی رضا نقش  | 

      آرتور گوسارد

      از ویکیپدیا، دانشنامه آزاد

      آرتور سی گوسارد استاد مواد و مهندسی برق در دانشگاه کالیفرنیا، سانتا باربارا بود. در سال 1982، او اثر هال کوانتومی کسری را کشف کرد . [1] تحقیقات او مربوط به اپیتاکسی پرتو مولکولی (MBE) است. او دارای دکترای فیزیک از دانشگاه کالیفرنیا برکلی است. بعد از دانشگاه به آزمایشگاه بل پیوست.

      در سال 1987، او به دلیل مشارکت در مطالعه فیزیک لایه های نیمه هادی بسیار نازک از طریق اپیتاکسی پرتو مولکولی، که منجر به ایجاد فیزیک جدید و دستگاه های جدید شد، به عضویت آکادمی ملی مهندسی ایالات متحده انتخاب شد. او همچنین عضو آکادمی ملی علوم ایالات متحده بود .

      گوسارد در سال 2016 به عنوان دریافت کننده مدال ملی فناوری و نوآوری معرفی شد. [2] او در 26 ژوئن 2022 درگذشت.

      منبع

      https://www.blogfa.com/Desktop/Post.aspx?action=new&r=7285873633068037&t=640310086

      + نوشته شده در چهارشنبه دوازدهم بهمن ۱۴۰۱ ساعت 20:55 توسط علی رضا نقش  | 

      2-آموزش لیزر کوانتومی آبشار

      طول موج انتشار [ ویرایش ]

      		پنهان شدناین بخش مشکلات متعددی دارد. لطفاً به بهبود آن کمک کنید یا درباره این مسائل در صفحه بحث بحث کنید. ( با نحوه و زمان حذف این پیام های الگو آشنا شوید )

      صحت واقعی این بخش مورد مناقشه است . ( ژانويه 2012 )

      این بخش نیاز به گسترش دارد . می توانید با افزودن به آن کمک کنید . ( ژوئن 2008 )

      QCLها در حال حاضر محدوده طول موجی از 2.63 میکرومتر [20] تا 250 میکرومتر [21] را پوشش می دهند (و با اعمال میدان مغناطیسی تا 355 میکرومتر گسترش می یابد. [ نیاز به نقل از ] )

      موجبرهای نوری [ ویرایش ]

      نمای انتهایی نمای QC با موجبر برجستگی. خاکستری تیره تر: InP، خاکستری روشن تر: لایه های QC، مشکی: دی الکتریک، طلایی: پوشش طلا. خط الراس ~ 10 میلی متر عرض.

      نمای انتهایی وجه QC با موجبر ناهم ساختار مدفون. خاکستری تیره تر: InP، خاکستری روشن تر: لایه های QC، سیاه: دی الکتریک. ساختار ناهمسان ~ 10 میکرومتر عرض

      اولین گام در پردازش مواد بهره آبشاری کوانتومی برای ساختن یک دستگاه تابش نور مفید، محدود کردن محیط بهره در یک موجبر نوری است. این امکان هدایت نور ساطع شده را به یک پرتو همسو می‌کند و اجازه می‌دهد تا یک تشدیدگر لیزری ساخته شود تا بتوان نور را دوباره به محیط بهره جفت کرد.

      دو نوع موجبر نوری رایج هستند. یک موجبر برجستگی با حک کردن ترانشه‌های موازی در ماده افزایش آبشار کوانتومی ایجاد می‌شود تا یک نوار مجزا از مواد QC، معمولاً ~ 10 میلی متر عرض و چندین میلی متر طول ایجاد کند. یک ماده دی الکتریک به طور معمول در ترانشه ها قرار می گیرد تا جریان تزریق شده را به پشته هدایت کند، سپس کل رج معمولاً با طلا پوشانده می شود تا تماس الکتریکی برقرار کند و به حذف گرما از پشته در هنگام تولید نور کمک کند. نور از انتهای بریده شده موجبر ساطع می شود، با یک ناحیه فعال که معمولاً فقط چند میکرومتر ابعاد دارد.

      نوع دوم موجبر یک ساختار ناهمسان مدفون است . در اینجا، ماده QC نیز برای تولید یک برجستگی ایزوله اچ می شود. با این حال، اکنون، مواد نیمه هادی جدید بر روی پشته رشد می کنند. تغییر در ضریب شکست بین ماده QC و ماده بیش از حد رشد کرده برای ایجاد یک موجبر کافی است. مواد دی الکتریک نیز بر روی مواد بیش از حد رشد یافته در اطراف خط الراس QC رسوب می کند تا جریان تزریق شده را به محیط افزایش QC هدایت کند. موجبرهای ناهم ساختار مدفون در حذف گرما از ناحیه فعال QC در هنگام تولید نور کارآمد هستند.

      انواع لیزر [ ویرایش ]

      اگرچه از محیط بهره آبشاری کوانتومی می توان برای تولید نور ناهمدوس در یک پیکربندی سوپرلومینسانس استفاده کرد، [22] بیشتر در ترکیب با یک حفره نوری برای تشکیل یک لیزر استفاده می شود.

      لیزرهای فابری-پروت [ ویرایش ]

      این ساده ترین لیزر آبشاری کوانتومی است. یک موجبر نوری ابتدا از ماده آبشار کوانتومی ساخته می شود تا محیط بهره را تشکیل دهد. سپس انتهای دستگاه نیمه هادی کریستالی شکاف داده می شود تا دو آینه موازی در دو طرف موجبر ایجاد شود، بنابراین تشدید کننده فابری-پرو تشکیل می شود. بازتاب باقیمانده در وجوه بریده شده از رابط نیمه هادی به هوا برای ایجاد یک تشدید کننده کافی است. لیزرهای آبشاری کوانتومی Fabry-Pérot قادر به تولید توان های بالا هستند، [23] اما معمولاً در جریان های عملیاتی بالاتر چند حالته هستند. طول موج را می توان عمدتا با تغییر دمای دستگاه QC تغییر داد.

      لیزرهای بازخورد توزیع شده [ ویرایش ]

      یک لیزر آبشاری کوانتومی بازخورد توزیع شده (DFB) [24] شبیه لیزر Fabry-Pérot است، به جز یک بازتابنده براگ توزیع شده (DBR) که در بالای موجبر ساخته شده است تا از انتشار آن در طول موجی غیر از طول موج مورد نظر جلوگیری کند. این کار لیزر را حتی در جریان های کاری بالاتر مجبور به عملکرد تک حالته می کند. لیزرهای DFB را می توان عمدتاً با تغییر دما تنظیم کرد، اگرچه یک نوع جالب در تنظیم را می توان با پالس لیزر DFB به دست آورد. در این حالت، طول موج لیزر در طول جریان پالس به سرعت " چیهک " می شود و امکان اسکن سریع یک ناحیه طیفی را فراهم می کند. [25]

      لیزرهای حفره خارجی [ ویرایش ]

      شماتیک دستگاه QC در حفره خارجی با بازخورد نوری انتخابی فرکانس ارائه شده توسط گریتینگ پراش در پیکربندی Littrow.

      در یک لیزر آبشاری کوانتومی حفره خارجی (EC)، دستگاه آبشار کوانتومی به عنوان رسانه افزایش لیزر عمل می کند. یکی، یا هر دو، از وجوه موجبر دارای یک پوشش ضد انعکاس است که عملکرد حفره نوری وجوه شکاف خورده را از بین می برد. سپس آینه ها در پیکربندی بیرونی دستگاه QC مرتب می شوند تا حفره نوری ایجاد شود.

      اگر یک عنصر انتخابی فرکانس در حفره خارجی گنجانده شود، می توان تابش لیزر را به یک طول موج کاهش داد و حتی تابش را تنظیم کرد. به عنوان مثال، از توری های پراش برای ایجاد یک لیزر قابل تنظیم [26] استفاده شده است که می تواند بیش از 15 درصد طول موج مرکزی خود را تنظیم کند.

      دستگاه های تنظیم پیشرفته [ ویرایش ]

      چندین روش برای گسترش محدوده تنظیم لیزرهای آبشاری کوانتومی با استفاده از عناصر یکپارچه یکپارچه وجود دارد. هیترهای یکپارچه می توانند محدوده تنظیم را در دمای عملیاتی ثابت تا 0.7٪ از طول موج مرکزی [27] گسترش دهند و توری های روبنا که از طریق اثر Vernier کار می کنند می توانند آن را تا 4٪ از طول موج مرکزی گسترش دهند، [28] در مقایسه با <0.1٪ برای یک دستگاه استاندارد DFB

      رشد [ ویرایش ]

      [آیکون]

      این بخش نیاز به گسترش دارد . می توانید با افزودن به آن کمک کنید . ( ژوئن 2008 )

      لایه های متناوب دو نیمه هادی مختلف که ساختار ناهمسان کوانتومی را تشکیل می دهند، ممکن است با استفاده از روش های مختلفی مانند اپیتاکسی پرتو مولکولی (MBE) یا اپیتاکسی فاز بخار متال آلی ( MOVPE)، که به عنوان رسوب بخار شیمیایی فلز آلی نیز شناخته می شود، روی یک بستر رشد کنند. MOCVD).

      برنامه های کاربردی [ ویرایش ]

      لیزرهای آبشاری کوانتومی Fabry-Pero (FP) برای اولین بار در سال 1998 تجاری شدند، [29] دستگاه های بازخورد توزیع شده (DFB) برای اولین بار در سال 2004 تجاری شدند، [30] و لیزرهای آبشاری کوانتومی حفره خارجی با قابلیت تنظیم گسترده برای اولین بار در سال 2006 تجاری شدند [31]. خروجی توان نوری بالا، محدوده تنظیم و عملکرد دمای اتاق، QCL ها را برای کاربردهای طیف سنجی مانند سنجش از راه دور گازهای محیطی و آلاینده ها در جو [32] و امنیت مفید می کند. آنها ممکن است در نهایت برای کنترل کروز خودرو در شرایط دید ضعیف استفاده شوند [ نیازمند منبع ]رادار اجتناب از برخورد ، [ نیازمند منبع ] کنترل فرآیند صنعتی، [ نیازمند منبع ] و تشخیص پزشکی مانند آنالایزرهای تنفسی. [33] QCL ها همچنین برای مطالعه شیمی پلاسما استفاده می شوند. [34]

      هنگامی که در سیستم‌های لیزری چندگانه استفاده می‌شود، طیف‌سنجی QCL درون پالسی پوشش طیفی باند پهنی را ارائه می‌دهد که به طور بالقوه می‌تواند برای شناسایی و تعیین کمیت مولکول‌های سنگین پیچیده مانند مولکول‌های موجود در مواد شیمیایی سمی، مواد منفجره و داروها استفاده شود. [ توضیحات لازم ] [35]

      در داستان [ ویرایش ]

      بازی ویدیویی Star Citizen لیزرهای آبشاری کوانتومی حفره خارجی را به عنوان سلاح های پرقدرت تصور می کند. [36]

      منبع

      https://en.wikipedia.org/wiki/Quantum-cascade_laser

      + نوشته شده در چهارشنبه دوازدهم بهمن ۱۴۰۱ ساعت 20:47 توسط علی رضا نقش  | 

      لیزر کوانتومی آبشار

      از ویکیپدیا، دانشنامه آزاد

      (برگرفته از لیزر کوانتومی آبشار )

      لیزرهای آبشاری کوانتومی (QCLs) لیزرهای نیمه هادی هستند که در بخش مادون قرمز میانی تا دور طیف الکترومغناطیسی ساطع می کنند و اولین بار توسط جروم فایست ، فدریکو کاپاسو ، دبورا سیوکو، کارلو سیرتوری ، آلبرت هاچینسون و آلفرد چو نشان داده شد. آزمایشگاه ها در سال 1994. [1]

      بر خلاف لیزرهای نیمه هادی بین باند معمولی که تابش الکترومغناطیسی را از طریق ترکیب مجدد جفت الکترون-حفره در سراسر شکاف باند مواد منتشر می کنند ، QCL ها تک قطبی هستند و انتشار لیزر از طریق استفاده از انتقال بین زیر باند در یک پشته مکرر از چاه های کوانتومی چندگانه نیمه هادی ، یک ساختار ناهمگون حاصل می شود. ایده اولین بار در مقاله "امکان تقویت امواج الکترومغناطیسی در یک نیمه هادی با ابرشبکه " توسط R. F. Kazarinov و R. A. Suris در سال 1971 ارائه شد .

      انتقال بین باند در مقابل انتقال بین باند [ ویرایش ]

      انتقال بین باند در لیزرهای نیمه هادی معمولی یک فوتون منفرد ساطع می کند.

      در یک کریستال نیمه‌رسانای حجیم ، الکترون‌ها ممکن است حالت‌هایی را در یکی از دو باند انرژی پیوسته اشغال کنند - نوار ظرفیت ، که به شدت با الکترون‌های کم انرژی پر شده است و نوار رسانایی ، که به صورت پراکنده با الکترون‌های پر انرژی پر است. دو باند انرژی توسط یک شکاف باند انرژی از هم جدا می شوند که در آن هیچ حالت مجاز برای اشغال الکترون ها وجود ندارد. دیودهای لیزر نیمه هادی معمولی نور را از یک فوتون منفرد تولید می کنند که وقتی یک الکترون پرانرژی در نوار رسانایی با یک حفره دوباره ترکیب می شود.در باند ظرفیت بنابراین انرژی فوتون و در نتیجه طول موج انتشار دیودهای لیزر توسط شکاف نواری سیستم مواد مورد استفاده تعیین می شود.

      با این حال یک QCL از مواد نیمه هادی حجیم در ناحیه فعال نوری خود استفاده نمی کند. در عوض، از یک سری لایه های نازک دوره ای از ترکیب مواد مختلف تشکیل شده است که یک ابرشبکه را تشکیل می دهد . ابرشبکه یک پتانسیل الکتریکی متغیر در طول دستگاه معرفی می کند، به این معنی که احتمال متفاوتی وجود دارد که الکترون ها موقعیت های مختلفی را در طول دستگاه اشغال کنند. این به عنوان محصور کردن چاه کوانتومی چند بعدی یک بعدی شناخته می شود و منجر به تقسیم باند انرژی های مجاز به تعدادی زیر باند الکترونیکی گسسته می شود. با طراحی مناسب ضخامت لایه ها می توان مهندسی الف وارونگی جمعیت بین دو زیر باند در سیستم که برای دستیابی به انتشار لیزر مورد نیاز است. از آنجایی که موقعیت سطوح انرژی در سیستم در درجه اول توسط ضخامت لایه ها و نه مواد تعیین می شود، می توان طول موج انتشار QCL ها را در محدوده وسیعی در همان سیستم مواد تنظیم کرد.

      در ساختارهای آبشاری کوانتومی، الکترون ها تحت انتقال بین زیر باندی قرار می گیرند و فوتون ها گسیل می شوند. الکترون‌ها به دوره بعدی ساختار تونل می‌کنند و این فرآیند تکرار می‌شود.

      علاوه بر این، در دیودهای لیزر نیمه هادی، الکترون ها و حفره ها پس از ترکیب مجدد در سراسر شکاف نواری نابود می شوند و نمی توانند نقش دیگری در تولید فوتون ایفا کنند. با این حال، در یک QCL تک قطبی، هنگامی که یک الکترون تحت یک گذار بین زیر باندی قرار گرفت و یک فوتون در یک دوره از ابرشبکه ساطع کرد، می‌تواند به دوره بعدی ساختار تونل بزند، جایی که فوتون دیگری می‌تواند گسیل شود. این فرآیند یک الکترون که باعث گسیل فوتون‌های متعدد می‌شود که از ساختار QCL عبور می‌کند، نام آبشار را ایجاد می‌کند و بازده کوانتومی بیش از واحد را ممکن می‌سازد که منجر به قدرت‌های خروجی بالاتر از دیودهای لیزر نیمه‌رسانا می‌شود.

      اصول عملیاتی [ ویرایش ]

      معادلات نرخ [ ویرایش ]

      جمعیت زیر باند توسط نرخ پراکندگی بین زیر باند و جریان تزریق / استخراج تعیین می شود.

      QCL ها معمولا بر اساس یک سیستم سه سطحی هستند . [3] با فرض اینکه تشکیل توابع موج در مقایسه با پراکندگی بین حالت‌ها فرآیندی سریع است، راه‌حل‌های مستقل از زمان برای معادله شرودینگر ممکن است اعمال شوند و سیستم را می‌توان با استفاده از معادلات نرخ مدل‌سازی کرد. هر زیر باند حاوی تعدادی الکترون است�منn_{i}(جایی کهمنمنشاخص زیر باند است) که بین سطوح با طول عمر پراکنده می شود�من�\tau _{{اگر}}(متقابل میانگین نرخ پراکندگی بین زیر باندیدبلیومن�W_{{اگر}})، جایی کهمنمنو�fشاخص های زیر باند اولیه و نهایی هستند. با فرض اینکه هیچ زیر باند دیگری پر نشده باشد، معادلات سرعت برای لیزرهای سه سطحی به صورت زیر ارائه می شود:

      د�3دتی=منمنn+�1�13+�2�23-�3�31-�3�32{\frac {{\mathrm {d}}n_{3}}{{\mathrm {d}}t}}=I_{{{\mathrm {in}}}}+{\frac {n_{1}} {\tau _{{13}}}}+{\frac {n_{2}}{\tau _{{23}}}}-{\frac {n_{3}}{\tau _{31} }}}-{\frac {n_{3}}{\tau _{{32}}}}

      د�2دتی=�3�32+�1�12-�2�21-�2�23{\frac {{\mathrm {d}}n_{2}}{{\mathrm {d}}t}}={\frac {n_{3}}{\tau _{{32}}}}+{ \frac {n_{1}}{\tau _{{12}}}}-{\frac {n_{2}}{\tau _{{21}}}}-{\frac {n_{2}} {\tau _{{23}}}}

      د�1دتی=�2�21+�3�31-�1�13-�1�12-منoتوتی{\frac {{\mathrm {d}}n_{1}}{{\mathrm {d}}t}}={\frac {n_{2}}{\tau _{{21}}}}+{ \frac {n_{3}}{\tau _{{31}}}}-{\frac {n_{1}}{\tau _{{13}}}}-{\frac {n_{1}} {\tau _{{12}}}}-I_{{{\mathrm {out}}}}

      در حالت پایدار ، مشتقات زمانی برابر با صفر و هستندمنمنn=منoتوتی=منI_{{{\mathrm {in}}}}=I_{{{\mathrm {out}}}}=I. بنابراین، معادله سرعت کلی برای الکترون‌ها در زیر باند i یک سیستم سطح N به صورت زیر است:

      د�مندتی=∑�=1ن����من-�من∑�=1ن1�من�+من(�منن-�من1){\frac {{\mathrm {d}}n_{i}}{{\mathrm {d}}t}}=\sum \limits _{{j=1}}^{N}{\frac {n_{ j}}{\tau _{{ji}}}}-n_{i}\sum \limits _{{j=1}}^{N}{\frac {1}{\tau _{{ij}} }}+I(\delta _{{iN}}-\delta _{{i1}})،

      با این فرض که فرآیندهای جذب را می توان نادیده گرفت، (یعنی�1�12=�2�23=0{\frac {n_{1}}{\tau _{{12}}}}={\frac {n_{2}}{\tau _{{23}}}}=0، در دماهای پایین معتبر است) معادله نرخ متوسط ​​می دهد

      �3�32=�2�21{\frac {n_{3}}{\tau _{{32}}}}={\frac {n_{2}}{\tau _{{21}}}}

      بنابراین، اگر�32>�21\tau _{{32}}>\tau _{{21}}(یعنیدبلیو21>دبلیو32W_{{21}}>W_{{32}}) سپس�3>�2n_{3}>n_{2}و وارونگی جمعیت وجود خواهد داشت. نسبت جمعیت به صورت تعریف شده است

      �3�2=�32�21=دبلیو21دبلیو32{\frac {n_{3}}{n_{2}}}={\frac {\tau _{{32}}}{\tau _{{21}}}}={\frac {W_{21 }}}{W_{{32}}}}

      اگر تمام N معادلات نرخ حالت پایدار جمع شوند، سمت راست صفر می شود، به این معنی که سیستم تعریف نشده است و فقط می توان جمعیت نسبی هر زیر باند را پیدا کرد. اگر چگالی ورق کل حامل هان2DN_{{{\mathrm {2D}}}}در سیستم نیز شناخته شده است، سپس جمعیت مطلق حامل ها در هر زیر باند را می توان با استفاده از:

      ∑من=1ن�من=ن2D\sum \limits _{{i=1}}^{{N}}n_{i}=N_{{{\mathrm {2D}}}}.

      به عنوان یک تقریب، می توان فرض کرد که تمام حامل های موجود در سیستم از طریق دوپینگ تامین می شوند . اگر گونه ناخالص انرژی یونیزاسیون ناچیز داشته باشدن2DN_{{{\mathrm {2D}}}}تقریباً برابر با چگالی دوپینگ است.

      توابع موج الکترونی در هر دوره از یک منطقه فعال QCL سه چاه کوانتومی تکرار می شوند. سطح لیزر بالایی به صورت پررنگ نشان داده شده است.

      طرح های منطقه فعال [ ویرایش ]

      نرخ پراکندگی با طراحی مناسب ضخامت لایه در ابرشبکه که توابع موج الکترونی زیر باندها را تعیین می کند، تنظیم می شود. نرخ پراکندگی بین دو زیر باند به شدت به همپوشانی توابع موج و فاصله انرژی بین زیر باندها بستگی دارد. شکل توابع موج را در یک منطقه فعال QCL و انژکتور سه چاه کوانتومی (3QW) نشان می دهد.

      برای کاهشدبلیو32W_{32}}، همپوشانی سطوح لیزر بالا و پایین کاهش می یابد. این اغلب از طریق طراحی ضخامت لایه ها به دست می آید به طوری که سطح لیزر بالایی عمدتاً در چاه سمت چپ ناحیه فعال 3QW محلی است، در حالی که عملکرد موج سطح لیزر پایین تر عمدتاً در چاه های مرکزی و سمت راست قرار می گیرد. . این به عنوان یک انتقال مورب شناخته می شود. انتقال عمودی ، انتقالی است که در آن سطح لیزر بالایی عمدتاً در چاه های مرکزی و سمت راست قرار می گیرد. این باعث افزایش همپوشانی و از این رو می شوددبلیو32W_{32}}که وارونگی جمعیت را کاهش می دهد، اما قدرت انتقال تابشی و در نتیجه افزایش را افزایش می دهد.

      به منظور افزایشدبلیو21W_{21}}توابع امواج سطح پایین لیزر و سطح زمین به گونه ای طراحی شده اند که همپوشانی خوبی داشته باشند و افزایش دهند.دبلیو21W_{21}}علاوه بر این، فاصله انرژی بین زیر باندها به گونه ای طراحی شده است که برابر با انرژی طولی نوری (LO) فونون (~36 مگا ولت در GaAs) باشد، به طوری که پراکندگی فونون-الکترون رزونانس LO می تواند به سرعت سطح لیزر پایین را خالی کند.

      سیستم های مواد [ ویرایش ]

      اولین QCL در سیستم مواد GaInAs/AlInAs ساخته شد که با یک بستر InP مطابقت داشت . [1] این سیستم ماده خاص دارای افست باند هدایت (عمق چاه کوانتومی) 520 مگا ولت است. این دستگاه‌های مبتنی بر InP به سطوح بسیار بالایی از عملکرد در محدوده طیفی مادون قرمز میانی دست یافته‌اند و به قدرت بالا، بالاتر از دمای اتاق و انتشار امواج پیوسته دست یافته‌اند. [4]

      در سال 1998 QCLهای GaAs / AlGaAs توسط Sirtori و همکاران نشان داده شد. اثبات اینکه مفهوم QC به یک سیستم مادی محدود نمی شود. [5] این سیستم مواد دارای عمق چاه کوانتومی متغیری است که بستگی به کسر آلومینیوم در موانع دارد. [ نیاز به منبع ] اگرچه QCLهای مبتنی بر GaAs با سطوح عملکرد QCLهای مبتنی بر InP در مادون قرمز میانی مطابقت ندارند، اما ثابت کرده اند که در ناحیه تراهرتز طیف بسیار موفق هستند. [6]

      حد طول موج کوتاه QCL ها با عمق چاه کوانتومی تعیین می شود و اخیراً QCL ها در سیستم های مواد با چاه های کوانتومی بسیار عمیق به منظور دستیابی به انتشار طول موج کوتاه توسعه یافته اند. سیستم مواد InGaAs/AlAsSb دارای چاه های کوانتومی با عمق 1.6 eV است و برای ساخت QCL هایی که در 3.05 میکرومتر ساطع می شوند، استفاده شده است. [7] QCL های InAs/AlSb دارای چاه های کوانتومی با عمق 2.1 eV هستند و الکترولومینسانس در طول موج های کوتاه 2.5 میکرومتر مشاهده شده است. [8]

      زوج InAs/AlSb جدیدترین خانواده مواد QCL در مقایسه با آلیاژهای رشد یافته بر روی بسترهای InP و GaAs است. مزیت اصلی سیستم مواد InAs/AlSb جرم الکترون موثر کوچک در چاه‌های کوانتومی است که به سود بالا بین زیر باندی کمک می‌کند. [9] این مزیت را می توان در QCLهای با طول موج بلند که سطوح انتقال لیزر نزدیک به انتهای نوار رسانایی است و اثر غیرپارابولیکی ضعیف است، بهتر مورد استفاده قرار داد. QCL های مبتنی بر InAs عملکرد موج پیوسته (CW) دمای اتاق (RT) را در طول موج های تا حداکثر نشان داده اند.17.7 �متر{\displaystyle 17.7~\mu m}با چگالی جریان آستانه پالسیجیتیساعت{\displaystyle J_{th}}به اندازه پایین1 کآ/جمتر2{\displaystyle 1~kA/cm^{2}}. [10] مقادیر کم ازجیتیساعت{\displaystyle J_{th}}همچنین در QCL های مبتنی بر InAs که در سایر مناطق طیفی منتشر می شوند، به دست آمده اند:0.715 کآ/جمتر2{\displaystyle 0.715~kA/cm^{2}}در15 {\displaystyle 15~\mu m}، [11] 0.99 کآ/جمتر2{\displaystyle 0.99~kA/cm^{2}}در11 {\displaystyle 11~\mu m} [12] و0.75 کآ/جمتر2{\displaystyle 0.75~kA/cm^{2}}در7.7 {\displaystyle 7.7~\mu m} [13] (QCL روی InAs رشد کرده است). اخیراً QCL های مبتنی بر InAs در نزدیکی کار می کنند14 {\displaystyle 14~\mu m}باجیتیساعت{\displaystyle J_{th}} به اندازه پایین0.6 کآ/جمتر2{\displaystyle 0.6~kA/cm^{2}}در دمای اتاق نشان داده شده است. آستانه به دست آمده کمتر ازجیتیساعت{\displaystyle J_{th}}از بهترین QCL های مبتنی بر InP گزارش شده تا به امروز بدون درمان فاست. [14]

      QCL ها همچنین ممکن است به کار لیزر در موادی که به طور سنتی دارای خواص نوری ضعیفی در نظر گرفته می شوند اجازه دهند. مواد غیرمستقیم شکاف باند مانند سیلیکون دارای حداقل انرژی الکترون و حفره در مقادیر تکانه متفاوت هستند. برای انتقال نوری بین باندی، حامل‌ها حرکت حرکتی را از طریق یک فرآیند پراکندگی کند و متوسط ​​تغییر می‌دهند و شدت انتشار نوری را به‌طور چشمگیری کاهش می‌دهند. با این حال، انتقال‌های نوری بین زیر باند مستقل از تکانه نسبی باند هدایت و حداقل باند ظرفیت هستند و پیشنهادات نظری برای گسیل‌گرهای آبشاری کوانتومی Si / SiGe ارائه شده است. [15]الکترولومینسانس بین زیر باندی از ساختارهای غیرقطبی SiGe برای طول موج های مادون قرمز وسط و مادون قرمز دور، هم در ظرفیت [16] [17] [18] و هم در باند رسانایی مشاهده شده است. [19]

      + نوشته شده در چهارشنبه دوازدهم بهمن ۱۴۰۱ ساعت 20:45 توسط علی رضا نقش  | 

      7-سلول خورشیدی


      ساخت [ ویرایش ]

      این بخش به نقل قول های اضافی برای تأیید نیاز دارد . لطفاً با افزودن نقل قول به منابع معتبر به بهبود این مقاله کمک کنید . اطلاعات بدون مرجع ممکن است مشکل ایجاد کرده و پاک شوند. ( ژوئن 2014 ) ( نحوه و زمان حذف این پیام الگو را بیاموزید )

      ماشین حساب اولیه با انرژی خورشیدی

      سلول‌های خورشیدی برخی از تکنیک‌های پردازش و ساخت مشابه با سایر دستگاه‌های نیمه‌رسانا را به اشتراک می‌گذارند. با این حال، الزامات سختگیرانه برای تمیزی و کنترل کیفیت ساخت نیمه هادی ها برای سلول های خورشیدی راحت تر است و هزینه ها را کاهش می دهد.

      ویفرهای سیلیکونی پلی کریستالی توسط شمش ​​های سیلیکونی بلوک اره سیمی به ویفرهای 180 تا 350 میکرومتری ساخته می شوند. ویفرها معمولاً به آرامی از نوع p دوپ می شوند. انتشار سطحی ناخالصی های نوع n در قسمت جلویی ویفر انجام می شود. این اتصال ap-n را در چند صد نانومتر زیر سطح تشکیل می دهد.

      سپس پوشش‌های ضد انعکاس معمولاً برای افزایش مقدار نور جفت شده به سلول خورشیدی اعمال می‌شوند. نیترید سیلیکون به تدریج جایگزین دی اکسید تیتانیوم به عنوان ماده ترجیحی شده است، زیرا دارای کیفیت غیرفعال سازی سطح عالی است. از نوترکیبی حامل در سطح سلول جلوگیری می کند. لایه ای به ضخامت چند صد نانومتر با استفاده از رسوب دهی بخار شیمیایی تقویت شده با پلاسما اعمال می شود . برخی از سلول های خورشیدی دارای سطوح جلویی بافتی هستند که مانند پوشش های ضد انعکاس، میزان نوری را که به ویفر می رسد افزایش می دهد. چنین سطوحی ابتدا بر روی سیلیکون تک کریستالی اعمال شد، سپس کمی بعد سیلیکون چند کریستالی اعمال شد.

      یک کنتاکت فلزی کامل در سطح پشتی ایجاد می‌شود و یک تماس فلزی شبکه‌مانند که از «انگشت‌های» ظریف و «میله‌های اتوبوس» بزرگ‌تر تشکیل شده است، با استفاده از خمیر نقره‌ای روی سطح جلویی چاپ می‌شوند. این یک تکامل از فرآیند به اصطلاح "مرطوب" برای اعمال الکترودها است که برای اولین بار در یک حق اختراع ایالات متحده که در سال 1981 توسط Bayer AG ثبت شد، توصیف شد . [142] تماس پشتی با چاپ روی صفحه یک خمیر فلزی، معمولاً آلومینیومی تشکیل می‌شود. معمولاً این تماس تمام قسمت عقب را می پوشاند، اگرچه برخی از طرح ها از یک الگوی شبکه استفاده می کنند. سپس خمیر را در چند صد درجه سانتیگراد شلیک می کنند تا الکترودهای فلزی در تماس اهمی تشکیل شودبا سیلیکون برخی از شرکت ها از یک مرحله آبکاری اضافی برای افزایش کارایی استفاده می کنند. پس از ایجاد کنتاکت های فلزی، سلول های خورشیدی توسط سیم های مسطح یا نوارهای فلزی به هم متصل می شوند و به صورت ماژول ها یا "پنل های خورشیدی" مونتاژ می شوند. پنل های خورشیدی دارای ورقه ای از شیشه سکوریت در جلو و یک محفظه پلیمری در پشت هستند.

      انواع مختلف ساخت و بازیافت تا حدی تعیین می کند که چقدر در کاهش انتشار گازهای گلخانه ای و تأثیر مثبت زیست محیطی موثر است. [37] چنین تفاوت‌ها و اثربخشی را می‌توان برای تولید بهینه‌ترین انواع محصولات برای اهداف مختلف در مناطق مختلف در طول زمان اندازه‌گیری کرد.

      تولید کنندگان و گواهینامه [ ویرایش ]

      اطلاعات بیشتر: لیست شرکت های فتوولتائیک

      این بخش باید به روز شود . لطفاً به به روز رسانی این مقاله کمک کنید تا رویدادهای اخیر یا اطلاعات جدید موجود را منعکس کند. ( نوامبر 2021 )

      تولید سلول های خورشیدی بر اساس منطقه [143]

      آزمایشگاه ملی انرژی های تجدیدپذیر فناوری های خورشیدی را آزمایش و تأیید می کند. سه گروه قابل اعتماد تجهیزات خورشیدی را تأیید می کنند: UL و IEEE (هر دو استاندارد ایالات متحده) و IEC .

      سلول های خورشیدی در ژاپن، آلمان، چین، تایوان، مالزی و ایالات متحده در حجم تولید می شوند، در حالی که اروپا، چین، ایالات متحده و ژاپن (94٪ یا بیشتر از سال 2013) در سیستم های نصب شده تسلط داشتند. [144] کشورهای دیگر ظرفیت تولید سلول های خورشیدی قابل توجهی را به دست می آورند.

      طبق گزارش سالانه "گزارش وضعیت PV" منتشر شده توسط مرکز تحقیقات مشترک کمیسیون اروپا ، تولید جهانی سلول/ماژول PV در سال 2012 با وجود کاهش 9 درصدی سرمایه گذاری در انرژی خورشیدی، 10 درصد افزایش یافت . بین سال های 2009 و 2013 تولید سلولی چهار برابر شده است. [144] [145] [146]

      چین [ ویرایش ]

      مقاله اصلی: انرژی خورشیدی در چین

      از سال 2013، چین پیشروترین نصب کننده فتوولتائیک خورشیدی (PV) در جهان بوده است. [144] تا سپتامبر 2018، شصت درصد از ماژول‌های فتوولتائیک خورشیدی جهان در چین ساخته شده‌اند. [147] از ماه مه 2018، بزرگترین نیروگاه فتوولتائیک در جهان در صحرای تنگر در چین واقع شده است. [148] در سال 2018، چین ظرفیت نصب شده فتوولتائیک بیشتری (بر حسب گیگاوات) نسبت به مجموع 9 کشور بعدی اضافه کرد. [149] تا سال 2022، سهم چین در تولید پنل های خورشیدی در تمام مراحل ساخت از 80 درصد فراتر رفت. [150]

      مالزی [ ویرایش ]

      مقاله اصلی: تولید فتوولتائیک در مالزی

      در سال 2014، مالزی سومین تولیدکننده بزرگ تجهیزات فتوولتائیک در جهان پس از چین و اتحادیه اروپا بود . [151]

      ایالات متحده [ ویرایش ]

      مقاله اصلی: انرژی خورشیدی در ایالات متحده

      تولید انرژی خورشیدی در ایالات متحده از سال 2013 تا 2019 دو برابر شده است. [152] این امر ابتدا به دلیل کاهش قیمت سیلیکون با کیفیت، [153] [154] [155] و بعداً صرفاً به دلیل کاهش قیمت جهانی ماژول‌های فتوولتائیک بود. [148] [156] در سال 2018، ایالات متحده 10.8 گیگاوات انرژی فتوولتائیک خورشیدی نصب شده اضافه کرد که افزایش 21 درصدی داشت. [149]

      منابع مواد [ ویرایش ]

      [آیکون]

      این بخش نیاز به گسترش دارد . می توانید با افزودن به آن کمک کنید . ( نوامبر 2021 )

      مانند بسیاری دیگر از فناوری های تولید انرژی، ساخت سلول های خورشیدی، به ویژه گسترش سریع آن، پیامدهای زیست محیطی و زنجیره تامین زیادی دارد. استخراج جهانی ممکن است برای تامین مواد معدنی مورد نیاز که در هر نوع سلول خورشیدی متفاوت است، سازگار شود و به طور بالقوه گسترش یابد. [157] [158] بازیافت پانل های خورشیدی می تواند منبعی برای موادی باشد که در غیر این صورت نیاز به استخراج دارند. [37]

      دفع [ ویرایش ]

      سلول های خورشیدی با گذشت زمان تخریب می شوند و کارایی خود را از دست می دهند. سلول های خورشیدی در آب و هوای شدید، مانند بیابان یا قطبی، به ترتیب به دلیل قرار گرفتن در معرض نور شدید UV و بارهای برف مستعد تخریب هستند. [159] معمولاً پانل‌های خورشیدی قبل از از کار افتادن، عمری بین 25 تا 30 سال داده می‌شوند. [160]

      آژانس بین‌المللی انرژی‌های تجدیدپذیر تخمین زده است که میزان زباله‌های الکترونیکی پنل خورشیدی تولید شده در سال 2016 بین 43500 تا 250000 تن متریک بوده است. تخمین زده می شود که این تعداد تا سال 2030 به میزان قابل توجهی افزایش یابد و به حجم تخمینی زباله 60 تا 78 میلیون تن در سال 2050 برسد. [161]

      بازیافت [ ویرایش ]

      همچنین ببینید: سلول خورشیدی پروسکایت § بازیافت

      پنل های خورشیدی با روش های مختلفی بازیافت می شوند. فرآیند بازیافت شامل یک فرآیند سه مرحله ای، بازیافت ماژول، بازیافت سلولی و حمل زباله، برای شکستن ماژول های Si و بازیابی مواد مختلف است. فلزات بازیافت شده و Si قابل استفاده مجدد در صنعت خورشیدی هستند و 11 تا 12.10 دلار به ازای هر ماژول درآمد ایجاد می کنند با قیمت های امروزی نقره و سی درجه خورشیدی.

      برخی از ماژول های خورشیدی (به عنوان مثال: اولین ماژول خورشیدی CdTe خورشیدی) حاوی مواد سمی مانند سرب و کادمیوم هستند که در صورت شکستن، ممکن است به داخل خاک نفوذ کرده و محیط را آلوده کنند. اولین کارخانه بازیافت پنل های خورشیدی در روست فرانسه در سال 2018 افتتاح شد. قرار بود سالانه 1300 تن زباله پنل های خورشیدی بازیافت شود و می تواند ظرفیت خود را تا 4000 تن افزایش دهد. [162] [163] [164]

      در سال 2020، اولین ارزیابی جهانی در مورد رویکردهای امیدوارکننده بازیافت ماژول های فتوولتائیک خورشیدی منتشر شد. دانشمندان "تحقیق و توسعه را برای کاهش هزینه های بازیافت و اثرات زیست محیطی در مقایسه با دفع و در عین حال به حداکثر رساندن بازیابی مواد" و همچنین تسهیل و استفاده از تحلیل های فنی-اقتصادی توصیه کردند. علاوه بر این، آنها دریافتند که بازیابی سیلیکون با ارزش بالا نسبت به بازیابی ویفرهای سیلیکونی دست نخورده سودمندتر است، زیرا اولی هنوز نیاز به طراحی فرآیندهای تصفیه برای سیلیکون بازیافتی دارد. [165] [166]اگر بازیافت به جای قوانین زیست‌محیطی، فقط با قیمت‌های مبتنی بر بازار هدایت می‌شود، انگیزه‌های اقتصادی برای بازیافت نامشخص باقی می‌مانند و تا سال 2021، اثرات زیست‌محیطی انواع مختلف تکنیک‌های بازیافت توسعه‌یافته هنوز باید اندازه‌گیری شود. [37]

      همچنین ببینید [ ویرایش ]

      آیکون پورتال انرژی های تجدیدپذیر

      منبع

      https://en.wikipedia.org/wiki/Solar_cell

      + نوشته شده در چهارشنبه دوازدهم بهمن ۱۴۰۱ ساعت 20:43 توسط علی رضا نقش  | 

      لایه مرطوب

      از ویکیپدیا، دانشنامه آزاد

      لایه مرطوب ، تک لایه ای از اتم ها است که به صورت همپایه روی یک سطح صاف رشد می کند. اتم های تشکیل دهنده لایه مرطوب می توانند عناصر/ترکیبات نیمه فلزی یا آلیاژهای فلزی (برای لایه های نازک) باشند. لایه های مرطوب کننده هنگام رسوب یک ماده ناهمخوان شبکه بر روی یک بستر کریستالی تشکیل می شوند. این مقاله به لایه مرطوب مرتبط با رشد نقاط کوانتومی خودآرایی (مثلا InAs در GaAs ) اشاره دارد. این نقاط کوانتومی در بالای لایه مرطوب تشکیل می شوند. لایه مرطوب می تواند حالت های نقطه کوانتومی را برای کاربردها در پردازش اطلاعات کوانتومی و محاسبات کوانتومی تحت تاثیر قرار دهد .

      فرآیند [ ویرایش ]

      لایه مرطوب به صورت اپیتاکسی روی یک سطح با استفاده از اپیتاکسی پرتو مولکولی (MBE) رشد می کند. دمای مورد نیاز برای رشد لایه مرطوب معمولاً بین 400-500 درجه سانتیگراد است. هنگامی که یک ماده A بر روی سطحی از ماده B با شبکه نامتناسب قرار می گیرد ، اولین لایه اتمی ماده A اغلب ثابت شبکه B را می پذیرد . این تک لایه ماده A را لایه مرطوب می نامند. هنگامی که ضخامت لایه A بیشتر افزایش می یابد، ثابت نگه داشتن شبکه B از نظر انرژی برای ماده A نامطلوب می شود . به دلیل کرنش زیاد لایه Aهنگامی که به ضخامت بحرانی خاصی از لایه A رسید، اتم های اضافی با هم گروه می شوند. این تشکیل جزیره باعث کاهش انرژی الاستیک می شود . [1] در صورتی که ماده A دارای شکاف باند کمتری نسبت به B باشد ، لایه مرطوب کننده با رشد بیش از حد ماده B ، یک چاه کوانتومی را تشکیل می دهد . در این مورد، جزایر تشکیل شده نقاط کوانتومی هستند . بازپخت بیشتر می تواند برای اصلاح خواص فیزیکی لایه مرطوب/ نقطه کوانتومی استفاده شود [2] .

      خواص [ ویرایش ]

      لایه مرطوب یک لایه نزدیک به تک اتمی با ضخامت معمولاً 0.5 نانومتر است. خواص الکترونیکی نقطه کوانتومی می تواند در نتیجه لایه مرطوب تغییر کند. [3] [4] [5] همچنین، کرنش نقطه کوانتومی می تواند به دلیل لایه مرطوب تغییر کند. [6]

      منبع

      https://en.wikipedia.org/wiki/Wetting_layer

      + نوشته شده در چهارشنبه دوازدهم بهمن ۱۴۰۱ ساعت 20:25 توسط علی رضا نقش  | 

      سنسور مجاورت مغناطیسی


      اندازه گیری جابجایی

      سنسور مجاورت مغناطیسی چیست؟ انواع سنسورهای موقعیت مغناطیسی چیست؟

      توسط اشلین22 ژانویه 20210588

      سنسور مجاورت مغناطیسی یک سنسور مجاورت غیر تماسی است و می توان از آن برای تشخیص اجسام مغناطیسی استفاده کرد. به این نوع سنسور مجاورت، کنتاکت های نی نیز می گویند. این از اعوجاج میدان مغناطیسی برای عملکرد خود استفاده می کند، در صورتی که اگر یک ماده فرومغناطیسی در محدوده این سنسور قرار گیرد، میدان مغناطیسی تغییر می کند و سیگنالی به سنسور داده می شود. سنسور مجاورت مغناطیسی از اندوکتانس، اصول اثر هال، عدم تمایل متغیر یا فناوری مقاومت مغناطیسی برای تشخیص جسم استفاده می کند. محدوده عملکرد سنسور مجاورت مغناطیسی خوب است. میدان مغناطیسی می تواند از بسیاری از مواد غیر مغناطیسی عبور کند، بنابراین فرآیند سوئیچینگ نیز می تواند بدون نیاز به قرار گرفتن در معرض مستقیم جسم مورد نظر انجام شود. با کمک یک هادی مغناطیسی می توان میدان مغناطیسی را در فواصل طولانی منتقل کرد. و به همین دلیل سیگنال را می توان از مناطق با دمای بالا دور کرد. این نوع سنسور اثر نویز الکتریکی ندارد و می تواند در AC یا DC کار کند. این فاصله حسی این دستگاه به دلیل عوامل خاصی مانند دما، جسم حسگر، اجسام اطراف و همچنین فاصله نصب از سنسور متفاوت است.

      استایل بدنه حسگرهای مجاورت مغناطیسی می تواند مستطیل شکل، کلید محدود، بشکه، شکاف یا حلقه باشد. نوع بدنه بشکه به شکل استوانه ای خواهد بود و می توان آنها را نخ کرد. سوئیچ لیمیت مشابه سوئیچ حد تماس خواهد بود، در این سنسور از مکانیسم سوئیچینگ جدا شده و سیگنال تشخیص را می دهد. در نوع بدنه مستطیلی، یک سنسور بلوکی شکل خواهد داشت. سنسور نوع شیار برای تشخیص وجود پره هنگام عبور از شکاف حسگر استفاده می شود. نوع حلقه ای شکل یک حسگر دونات شکل است که در آن جسم از مرکز حلقه عبور می کند.

      انواع سنسور موقعیت مغناطیسی چیست؟

      1. سوئیچ نی
      2. سنسور مغناطیسی تنگ کننده
      3. سنسور مقاومت مغناطیسی
      4. سنسور مجاورت مغناطیسی القایی
      5. سنسور اثر هال
      6. LVDT
      7. RVDT

      سوئیچ نی

      این سنسورها با وجود آهنربای دائمی فعال می شوند و اصل عملکرد آنها بر اساس استفاده از کنتاکت نی است. کنتاکت نی دارای دو سرب فرومغناطیسی کم ریلکتانس است که در لامپ های شیشه ای حاوی گاز بی اثر محصور شده اند. نی ها در حضور میدان مغناطیسی به دلیل القای مغناطیسی جذب می شوند و این فرآیند باعث ایجاد تماس الکتریکی می شود. در سوئیچ نی، کنتاکت ها به طور معمول باز هستند و در صورت وجود میدان مغناطیسی بسته می شوند. اندازه و نوع آهنربا مورد نیاز با توجه به نوع سوئیچ نی و نحوه ساخت آن خواهد بود. فاصله آهنربا و سوئیچ بسیار مهم است اگر فاصله بین آهنربا و سوئیچ گسترده باشد، برای تعامل با سوئیچ به یک آهنربای قوی نیاز است.

      هنگام نصب یک سوئیچ نی، باید مطمئن شویم که هیچ میدان مغناطیسی واسط در نزدیکی سنسور وجود ندارد. پس در این حالت باید مطمئن شویم که حسگر مجاورتی باید بر این اساس شیلد شود.

      انواع سوئیچ نی

      دو نوع سوئیچ نی وجود دارد و آن سوئیچ نی خشک و سوئیچ نی مرطوب جیوه ای است. در یک سوئیچ نی خشک، تیغه های تماس فرومغناطیسی در یک ظرف شیشه ای با گاز بی اثر آب بندی می شوند. در حالی که در نوع مرطوب شده با جیوه، جیوه ماده تماس یک مدار الکتریکی، جیوه با جیوه است.

      سوئیچ نی چه مزایایی دارد

      تماس ها تحت تأثیر گرد و غبار، خوردگی و اکسیداسیون به دلیل لامپ شیشه ای و گاز خنثی نمی شوند. تعمیر و نگهداری این سنسور واقعا کمتر است، این سوئیچ ویژگی های الکتریکی و مکانیکی بسیاری را همراه با عملکردهای مختلف خروجی ارائه می دهد. عملکرد این دستگاه واقعا آسان است و همچنین قابل اعتماد است. فاصله عملکرد این سوئیچ خوب است.

      سنسور مغناطیسی تنگ کننده

      این نوع سنسور از سیم پیچ ها، یک هسته مغناطیسی الاستیک و یک شفت حسگر تشکیل شده است. در این سنسور، تغییر در موقعیت شفت حسگر باعث ایجاد تنش در هسته حساس می شود. نفوذپذیری مواد هسته با تنش متفاوت است، و بنابراین بر اندوکتانس پیچ سیم پیچ در اطراف هسته تأثیر می گذارد، اندوکتانس تابع موقعیت شفت است.

      سنسور مغناطیسی مقاومتی

      اگر گفته شود ماده دارای مقاومت مغناطیسی است، این توانایی را دارد که تحت تأثیر میدان مغناطیسی مقاومت خود را تغییر دهد. بنابراین این نوع سنسور موقعیت اثر مغناطیسی مقاومت ماده را تحت تأثیر میدان مغناطیسی بررسی می کند. بنابراین برای تشخیص موقعیت، می‌توانیم حسگر را روی یک جسم متحرک زاویه‌دار یا خطی با حسگر مکمل یا آهنربای آن ثابت قرار دهیم. خاصیت مقاومت مغناطیسی در یک ماده آهنی رخ می دهد و می تواند به عنوان یک نوار نازک برای تبدیل شدن به یک عنصر مقاومتی اعمال شود.

      سنسور مجاورت مغناطیسی القایی

      این نوع سنسور شبیه سنسور مجاورت القایی است، تفاوت عمده آن در این است که دارای یک نوسان ساز داخلی است، سیم پیچ نوسانی از طراحی نیم هسته ای نیست که یک میدان مغناطیسی به سمت بالا ایجاد می کند، بلکه یک سیم پیچ با پوسته بسته است. طراحی، یک نمونه برای این یک سیم پیچ با یک هسته فریت محافظ است. با استفاده از آهنربای دائمی، مواد هسته هسته اسیلاتور اشباع می شود و این باعث ایجاد لرزش در جریان نوسانگر حسگر مجاورتی می شود. یک حالت ماشه تغییر را ارزیابی می کند و آن را به یک سیگنال خروجی تعریف شده تبدیل می کند. این نوع حسگر مجاورتی فقط به میدان های مغناطیسی واکنش نشان می دهد و به هیچ جسم فلزی واکنش نشان نمی دهد.

      سنسور اثر هال

      سنسور جلوه هال یک ردیاب موقعیت غیر تماسی است و قسمت عمده این دستگاه یک آهنربای دائمی و یک آی سی سنسور جلوه سالن می باشد. اثر هال فرآیندی است که در آن برهمکنشی بین حامل الکتریکی متحرک و میدان مغناطیسی خارجی وجود دارد. خروجی سنسور سالن به میدان مغناطیسی بستگی دارد، این سنسور می تواند برای انجام سوئیچینگ مجاورت، موقعیت یابی و تشخیص سرعت استفاده شود.

      آی سی سنسور سالن می تواند تغییر میدان مغناطیسی را هنگامی که یک آهنربای دائمی در مجاورت آن قرار می گیرد و سیگنال الکتریکی تولید می کند، تشخیص دهد. سپس این سیگنال برای کنترل سیگنال خروجی سوئیچ تقویت و اصلاح می شود.

      LVDT

      با استفاده از LVDT می توانیم اندازه گیری فاصله خطی دقیق و قابل اعتماد انجام دهیم. هسته آهنی به قسمت متحرک در تجهیزات متصل می شود تا جزئیات موقعیت را بدست آورد. موقعیت سنسور الکتریکی که خروجی آن متناسب با موقعیت یک هسته مغناطیسی متحرک است و خروجی الکتریکی خطی تولید می کند و مشابه موقعیت هسته آهنی متحرک خواهد بود.

      کاربردهای سنسور مجاورت مغناطیسی چیست؟

      • این سنسور در سنسور در و پنجره در دزدگیر استفاده می شود
      • به طور گسترده ای در صنایع پانل سازی استفاده می شود
      • برای کاربردهای تشخیصی قابل اعتماد استفاده می شود
      • آنها در شرایط جوشکاری متخاصم استفاده می شوند
      • از این سنسورها برای تعیین موقعیت نقاط و قفل مکانیکی یک دستگاه سوئیچ برای اطمینان از عبور امن قطارها استفاده می شود.
      • تلفن های همراه

      https://automationforum.co/what-is-a-magnetic-proximity-sensor-what-are-the-types-of-magnetic-position-sensors/

      + نوشته شده در شنبه هشتم بهمن ۱۴۰۱ ساعت 7:43 توسط علی رضا نقش  | 

      اثر فوتوالکتریک

      آلبرت اینشتین رابرت میلیکان فیلیپ لنارد

      موضوعات مرتبط:

      رسانایی نوری رابطه انیشتین تابع کار فوتوالکترون فوتوالکترون فرکانس آستانه فوتوالکتریک

      مشاهده تمام مطالب مرتبط →

      در نظر بگیرید که چگونه کشف اثر فوتوالکتریک توسط هاینریش هرتز منجر به نظریه نور آلبرت انیشتین شد.

      در نظر بگیرید که چگونه کشف اثر فوتوالکتریک توسط هاینریش هرتز منجر به نظریه نور آلبرت انیشتین شد.

      اثر فوتوالکتریک ، پدیده‌ای که در آن ذرات باردار الکتریکی از یا درون ماده‌ای که جذب می‌شوند آزاد می‌شوند.تابش الکترومغناطیسی . اثر اغلب به عنوان بیرون ریختن تعریف می شودالکترون ها از a صفحه فلزی وقتی نور روی آن می افتد. در یک تعریف گسترده تر،انرژی تابشی ممکن است نور مادون قرمز ، مرئی یا فرابنفش ، اشعه ایکس یا اشعه گاما باشد. ماده ممکن است جامد، مایع یا گاز باشد. و ذرات آزاد شده ممکن است یون ها (اتم ها یا مولکول های باردار الکتریکی) و همچنین الکترون ها باشند. این پدیده به دلیل پرسش‌های گیج‌کننده‌ای که در مورد ماهیت نور - رفتار ذرات در مقابل موج - که در نهایت توسط آلبرت انیشتین در سال 1905 حل شد، اساساً در توسعه فیزیک مدرن مهم بود. به اخترفیزیک و همچنین پایه و اساس انواع دستگاه های مفید را تشکیل می دهد.

      کشف و کار اولیه

      اثر فوتوالکتریک در سال 1887 توسط فیزیکدان آلمانی کشف شدهاینریش رودولف هرتز . در ارتباط با کار بر روی امواج رادیویی، هرتز مشاهده کرد که وقتی نور فرابنفش به دو الکترود فلزی با ولتاژ اعمال شده در آنها می تابد، نور ولتاژی را که جرقه در آن اتفاق می افتد تغییر می دهد. این رابطه بین نور و الکتریسیته (بنابراین فوتوالکتریک ) در سال 1902 توسط یک فیزیکدان آلمانی دیگر روشن شد.فیلیپ لنارد او نشان داد که ذرات باردار الکتریکی از سطح فلزی که روشن می شود آزاد می شوند و این ذرات با الکترون ها که توسط فیزیکدان بریتانیایی جوزف جان تامسون در سال 1897 کشف شده بود، یکسان هستند.

      تحقیقات بیشتر نشان داد که اثر فوتوالکتریک نشان دهنده یک برهمکنش بین نور و ماده است که توسط فیزیک کلاسیک قابل توضیح نیست، که نور را به عنوان یک موج الکترومغناطیسی توصیف می کند. یکی از مشاهدات غیرقابل توضیح این بود که حداکثرانرژی جنبشی الکترون‌های آزاد شده، همانطور که طبق نظریه موج انتظار می‌رفت، با شدت نور تغییر نمی‌کرد، بلکه متناسب با شدت نور بود.فرکانس نور چیزی که شدت نور تعیین کرد، تعداد الکترون های آزاد شده از فلز بود (که به صورت یک اندازه گیری می شود جریان الکتریکی ). مشاهدات گیج کننده دیگر این بود که عملاً هیچ فاصله زمانی بین ورود تابش و گسیل الکترون وجود نداشت.

      اثر فوتوالکتریک: کشف برنده جایزه نوبل انیشتین

      اثر فوتوالکتریک: کشف برنده جایزه نوبل انیشتین

      توجه به این رفتارهای غیرمنتظره منجر شدآلبرت انیشتین در سال 1905 نظریه جدیدی از نور را فرموله کرد که در آن هر ذره نور یا فوتون حاوی مقدار ثابتی انرژی یا کوانتومی است که به فرکانس نور بستگی دارد. به ویژه، یک فوتون حامل انرژی E برابر با h f است، که در آن f فرکانس نور و h ثابت جهانی است که فیزیکدان آلمانی ماکس پلانک در سال 1900 برای توضیح این موضوع به دست آورد.توزیع طول موج تابش جسم سیاه - یعنی تابش الکترومغناطیسی ساطع شده از جسم داغ. این رابطه همچنین ممکن است به شکل معادل E = hc /λ نوشته شود، که در آن c سرعت نور و λ طول موج آن است، که نشان می دهد انرژی فوتون با طول موج آن نسبت معکوس دارد.

      دکتر انریکو فرمی، فیزیکدان ایتالیایی الاصل، نموداری را روی تخته سیاه با معادلات ریاضی ترسیم می کند. در حدود 1950

      مسابقه بریتانیکا

      فیزیک و حقوق طبیعی

      چه نیرویی حرکت را کند می کند؟ برای هر عملی برابر و مخالف چیست؟ هیچ چیز E = mc مربع در مورد شرکت در این مسابقه فیزیک وجود ندارد.

      انیشتین فرض می‌کرد که فوتون به ماده نفوذ می‌کند و انرژی آن را به الکترون منتقل می‌کند. همانطور که الکترون با سرعت زیاد در فلز حرکت می کند و در نهایت از ماده خارج می شود، انرژی جنبشی آن به مقدار ϕ کاهش می یابد که به آن "تابع کار (شبیه تابع کار الکترونیکی )، که نشان دهنده انرژی مورد نیاز برای فرار الکترون از فلز است. با پایستگی انرژی ، این استدلال انیشتین را به معادله فوتوالکتریک E k = h f − φ هدایت کرد، که در آن Ek حداکثر انرژی جنبشی الکترون پرتاب شده است.

      اگرچه مدل انیشتین گسیل الکترون‌ها را از یک صفحه روشن توصیف می‌کرد، فرضیه فوتون او به اندازه‌ای رادیکال بود که تا زمانی که تأیید آزمایشی بیشتری دریافت نکرد، مورد پذیرش جهانی قرار نگرفت. تأیید بیشتر در سال 1916 زمانی رخ داد که اندازه گیری های بسیار دقیق توسط فیزیکدان آمریکایی رابرت میلیکان معادله انیشتین را تأیید کرد و با دقت بالا نشان داد که مقدار ثابت h اینشتین با ثابت پلانک یکسان است . اینشتین سرانجام در سال 1921 برای توضیح اثر فوتوالکتریک جایزه نوبل فیزیک را دریافت کرد.

      اشتراک Britannica Premium را دریافت کنید و به محتوای انحصاری دسترسی پیدا کنید.اکنون مشترک شوید

      در سال 1922، فیزیکدان آمریکایی، آرتور کامپتون ، تغییر طول موج پرتوهای ایکس را پس از برهمکنش آنها با الکترون‌های آزاد اندازه‌گیری کرد و نشان داد که این تغییر را می‌توان با در نظر گرفتن پرتوهای ایکس که از فوتون‌ها ساخته شده‌اند، محاسبه کرد. کامپتون برای این کار جایزه نوبل فیزیک 1927 را دریافت کرد. در سال 1931 ریاضیدان بریتانیایی رالف هوارد فاولر درک گسیل فوتوالکتریک را با ایجاد رابطه بین جریان فوتوالکتریک و دما در فلزات گسترش داد. تلاش‌های بیشتر نشان داد که تشعشعات الکترومغناطیسی نیز می‌توانند الکترون‌ها را در داخل ساطع کنندعایق هایی که الکتریسیته را رسانا نمی کنند و در نیمه هادی ها انواع عایق هایی هستند که فقط تحت شرایط خاصی جریان الکتریسیته را هدایت می کنند.

      اصول فوتوالکتریک

      بر اساس مکانیک کوانتومی ، الکترون های متصل به اتم ها در پیکربندی های الکترونیکی خاصی رخ می دهند . بالاترین پیکربندی انرژی (یا باند انرژی) که معمولاً توسط الکترون ها برای یک ماده معین اشغال می شود به عنوانباند ظرفیت و درجه پر شدن آن تا حد زیادی هدایت الکتریکی ماده را تعیین می کند. در یک هادی معمولی (فلز)، نوار ظرفیت تقریباً نیمی از الکترون ها پر شده است که به راحتی از اتمی به اتم دیگر حرکت می کنند و جریانی را حمل می کنند. در یک عایق خوب ، مانند شیشه یا لاستیک، نوار ظرفیت پر می شود و این الکترون های ظرفیت تحرک بسیار کمی دارند . مانند عایق ها،نیمه هادی ها معمولاً نوارهای ظرفیت خود را پر می کنند، اما برخلاف عایق ها، انرژی بسیار کمی برای برانگیختن یک الکترون از نوار ظرفیت به نوار انرژی مجاز بعدی - معروف بهنوار رسانایی ، زیرا هر الکترونی که به این سطح انرژی بالاتر برانگیخته شود نسبتاً آزاد است. به عنوان مثال، "گپ" برای سیلیکون 1.12 eV ( الکترون ولت ) و گالیم آرسنید 1.42 eV است. این در محدوده انرژی حمل شده توسط فوتون های مادون قرمز و نور مرئی است، که بنابراین می تواند الکترون ها را در نیمه هادی ها به نوار رسانایی برساند. (برای مقایسه، یک باتری چراغ قوه معمولی 1.5 eV را به هر الکترونی که از آن عبور می‌کند می‌افزاید. برای غلبه بر شکاف باند در عایق‌ها، تابش انرژی بسیار بیشتری لازم است.) بسته به نحوه پیکربندی مواد نیمه‌رسانا، این تابش ممکن است افزایش یابد.هدایت الکتریکی آن با افزودن به جریان الکتریکی که قبلاً توسط یک ولتاژ اعمال شده القا شده است ( نگاه کنید به رسانایی نوری )، یا ممکن است ولتاژی مستقل از هر منبع ولتاژ خارجی ایجاد کند ( اثر فتوولتائیک را ببینید ).

      رسانایی نوری از الکترون های آزاد شده توسط نور و همچنین از جریان بار مثبت ناشی می شود. الکترون‌های افزایش‌یافته به نوار رسانایی مربوط به بارهای منفی از دست رفته در باند ظرفیتی است که «حفره» نامیده می‌شود. هر دو الکترون ها و حفره ها جریان جریان را هنگامی که نیمه هادی روشن می شود افزایش می دهند.

      دراثر فتوولتائیک ، ولتاژ زمانی ایجاد می‌شود که الکترون‌های آزاد شده توسط نور فرودی از حفره‌هایی که تولید می‌شوند جدا می‌شوند و باعث ایجاد اختلاف در پتانسیل الکتریکی می‌شوند. این معمولاً با استفاده از اتصال p - n به جای یک نیمه هادی خالص انجام می شود. یک اتصال p - n در محل اتصال بین نیمه هادی های نوع p (مثبت) و نوع n (منفی) رخ می دهد. این نواحی متضاد با افزودن ناخالصی های مختلف برای تولید الکترون های اضافی ( نوع n ) یا سوراخ های اضافی ( p) ایجاد می شوند.-نوع). روشنایی الکترون‌ها و حفره‌ها را در دو طرف اتصال آزاد می‌کند تا ولتاژی در سراسر اتصال ایجاد کند که می‌تواند جریان را به حرکت درآورد و در نتیجه نور را به نیروی الکتریکی تبدیل کند .

      سایر اثرات فوتوالکتریک ناشی از تابش در فرکانس های بالاتر است، ماننداشعه ایکس واشعه گاما این فوتون‌های پرانرژی حتی می‌توانند الکترون‌ها را در نزدیکی هسته اتم آزاد کنند، جایی که به شدت به هم متصل هستند. هنگامی که چنین الکترون داخلی پرتاب می شود، یک الکترون بیرونی با انرژی بالاتر به سرعت پایین می آید تا جای خالی را پر کند. انرژی اضافی منجر به گسیل یک یا چند الکترون اضافی از اتم می شود که به آن اتم می گوینداثر مارپیچ .

      همچنین در انرژی های فوتون بالا دیده می شوداثر کامپتون ، که هنگام برخورد یک فوتون پرتو ایکس یا پرتو گاما با یک الکترون به وجود می آید. اثر را می توان با همان اصولی که بر آن حاکم است تحلیل کردبرخورد بین هر دو جسم، از جمله حفظ تکانه . فوتون انرژی خود را به الکترون از دست می دهد، کاهشی که مطابق با افزایش طول موج فوتون مطابق با رابطه انیشتین E = hc / λ است. هنگامی که برخورد به گونه ای باشد که الکترون و بخش فوتون در زوایای قائم با یکدیگر قرار گیرند، طول موج فوتون با مقدار مشخصی به نام طول موج کامپتون، 2.43 × 10-12 متر افزایش می یابد.

      برنامه های کاربردی

      دستگاه های مبتنی بر اثر فوتوالکتریک دارای چندین ویژگی مطلوب هستند، از جمله تولید جریانی که مستقیماً با شدت نور متناسب است و زمان پاسخگویی بسیار سریع. یکی از دستگاه های اساسی است سلول فوتوالکتریک یا فتودیود. در اصل، این یک لوله نوری بود، یک لوله خلاء حاوی یک کاتد ساخته شده از فلز با عملکرد کوچک به طوری که الکترون ها به راحتی ساطع می شوند. جریان آزاد شده توسط صفحه توسط یک آند که در یک ولتاژ مثبت بزرگ نسبت به کاتد نگه داشته می شود جمع آوری می شود. فتولوله‌ها با فتودیودهای نیمه‌رسانا جایگزین شده‌اند که می‌توانند نور را تشخیص دهند ، شدت آن را اندازه‌گیری کنند، سایر دستگاه‌ها را به عنوان تابعی از روشنایی کنترل کنند و نور را به انرژی الکتریکی تبدیل کنند. این دستگاه‌ها در ولتاژهای پایین کار می‌کنند که با فاصله‌های باندشان قابل مقایسه است و در کنترل فرآیندهای صنعتی، نظارت بر آلودگی، تشخیص نور در داخل استفاده می‌شوند. شبکه های مخابراتی فیبر نوری ،سلول های خورشیدی ، تصویربرداری، و بسیاری از کاربردهای دیگر.

      سلول های رسانای نوری از نیمه هادی هایی با شکاف های باندی ساخته شده اند که مطابق با انرژی فوتون های قابل سنجش است. به عنوان مثال، نورسنج های عکاسی و سوئیچ های خودکار برای روشنایی خیابان ها در طیف مرئی عمل می کنند، بنابراین آنها معمولاً از سولفید کادمیوم ساخته می شوند. آشکارسازهای مادون قرمز، مانند حسگرهایی برای کاربردهای دید در شب، ممکن است از سولفید سرب یا تلورید کادمیوم جیوه ساخته شوند.

      دستگاه های فتوولتائیک معمولاً یک اتصال نیمه هادی p - n را در خود جای می دهند. برای استفاده از سلول های خورشیدی ، آنها معمولاً از سیلیکون کریستالی ساخته می شوند و حدود 15 درصد از انرژی نور تابشی را به الکتریسیته تبدیل می کنند . سلول های خورشیدی اغلب برای تامین انرژی نسبتاً کمی در محیط های خاص مانند ماهواره های فضایی و تاسیسات تلفن از راه دور استفاده می شوند. توسعه مواد ارزان‌تر و راندمان بالاتر ممکن است انرژی خورشیدی را از نظر اقتصادی برای کاربردهای بزرگ مقرون‌به‌صرفه کند.

      این لوله فتومولتی پلایر یک گسترش بسیار حساس از لوله نوری است که برای اولین بار در دهه 1930 ساخته شد و شامل یک سری صفحات فلزی به نام داینود است. برخورد نور به کاتد باعث آزاد شدن الکترون می شود. اینها به دینود اول جذب می شوند، جایی که الکترون های اضافی را آزاد می کنند که به داینود دوم برخورد می کند و غیره. پس از حداکثر 10 مرحله داینودی، جریان نوری به‌قدری بسیار زیاد تقویت می‌شود که برخی از فتو ضرب‌کننده‌ها می‌توانند عملاً یک فوتون را شناسایی کنند. این دستگاه‌ها یا نسخه‌های حالت جامد با حساسیت مشابه، در تحقیقات طیف‌سنجی ، جایی که اغلب اندازه‌گیری منابع نور بسیار ضعیف ضروری است، بسیار ارزشمند هستند. آنها همچنین در شمارنده های سوسوزن استفاده می شوند که حاوی ماده‌ای هستند که در اثر برخورد اشعه ایکس یا پرتو گاما، فلاش‌های نور تولید می‌کنند، همراه با یک فتو ضرب‌کننده که فلاش‌ها را می‌شمرد و شدت آنها را اندازه‌گیری می‌کند. این شمارنده ها از کاربردهایی مانند شناسایی ایزوتوپ های خاص برای آنالیز ردیاب هسته ای و تشخیص اشعه ایکس مورد استفاده در اسکن های توموگرافی محوری کامپیوتری (CAT) برای به تصویر کشیدن یک مقطع از بدن پشتیبانی می کنند.

      فوتودیودها و فتومولتی پلایرها نیز به فناوری تصویربرداری کمک می کنند . تقویت کننده های نور یاتقویت کننده های تصویر ، دوربین تلویزیون لوله‌ها و لوله‌های ذخیره‌سازی تصویر از این واقعیت استفاده می‌کنند که گسیل الکترون از هر نقطه روی کاتد با تعداد فوتون‌هایی که به آن نقطه می‌رسند تعیین می‌شود. یک تصویر نوری که در یک طرف کاتد نیمه‌شفاف قرار می‌گیرد، در سمت دیگر به تصویر «جریان الکترونی» معادل تبدیل می‌شود. سپس از میدان های الکتریکی و مغناطیسی برای متمرکز کردن الکترون ها بر روی صفحه فسفری استفاده می شود . هر الکترونی که به فسفر برخورد می کند، فلاش نور تولید می کند که باعث آزاد شدن تعداد زیادی الکترون از نقطه مربوطه در کاتد درست در مقابل فسفر می شود. تصویر تشدید شده به دست آمده را می توان با همان فرآیند بیشتر تقویت کرد تا تقویت بیشتری ایجاد کند و نمایش داده یا ذخیره شود.

      در انرژی های فوتون بالاتر، تجزیه و تحلیل الکترون های ساطع شده توسط اشعه ایکس اطلاعاتی در مورد الکترونیک می دهدانتقال در میان حالات انرژی در اتم ها و مولکول ها همچنین به مطالعه برخی فرآیندهای هسته ای کمک می کند و در تجزیه و تحلیل شیمیایی مواد نقش دارد، زیرا الکترون های ساطع شده انرژی خاصی را حمل می کنند که مشخصه منبع اتمی است. اثر کامپتون همچنین برای تجزیه و تحلیل خواص مواد و در نجوم برای تجزیه و تحلیل پرتوهای گامایی که از منابع کیهانی می آیند استفاده می شود.

      ویراستاران دایره المعارف بریتانیکا

      منبع

      https://www.britannica.com/science/photoelectric-effect/Applications

      + نوشته شده در دوشنبه چهارم مهر ۱۴۰۱ ساعت 7:0 توسط علی رضا نقش  | 

      4-اثر فوتوالکتریک

      فضاپیما [ ویرایش ]

      اثر فوتوالکتریک باعث می شود فضاپیماهای در معرض نور خورشید بار مثبت ایجاد کنند. این می تواند یک مشکل بزرگ باشد، زیرا قسمت های دیگر فضاپیما در سایه هستند که منجر به ایجاد بار منفی از پلاسماهای مجاور فضاپیما می شود. عدم تعادل می تواند از طریق اجزای الکتریکی ظریف تخلیه شود. بار استاتیکی که توسط اثر فوتوالکتریک ایجاد می‌شود، خود محدودکننده است، زیرا یک جسم با بار بالاتر، الکترون‌های خود را به راحتی رها نمی‌کند. [55] [56]

      غبار ماه [ ویرایش ]

      برخورد نور خورشید به غبار ماه باعث می شود که از اثر فوتوالکتریک به طور مثبت باردار شود. گرد و غبار باردار سپس خود را دفع می کند و با حرکت الکترواستاتیکی از سطح ماه بلند می شود . [57] [58] این خود را تقریباً مانند یک "جو از غبار" نشان می دهد، که به صورت یک مه نازک و تار شدن ویژگی های دور قابل مشاهده است، و به عنوان یک درخشش کم رنگ پس از غروب خورشید قابل مشاهده است. این اولین بار توسط کاوشگر برنامه Surveyor در دهه 1960 عکسبرداری شد، [59] و اخیراً مریخ نورد Chang'e 3 رسوب گرد و غبار را بر روی سنگ های ماه به ارتفاع حدود 28 سانتی متر مشاهده کرد. [60]تصور می‌شود که کوچک‌ترین ذرات کیلومترها از سطح دفع می‌شوند و این ذرات در حین شارژ و تخلیه در «چشمه‌ها» حرکت می‌کنند. [61]

      فرآیندهای رقابتی و مقطع انتشار نور [ ویرایش ]

      وقتی انرژی فوتون به اندازه انرژی استراحت الکترون است511 کو ، فرآیند دیگری، پراکندگی کامپتون ، ممکن است اتفاق بیفتد. بیش از دو برابر این انرژی، در احتمال تولید جفت 1.022 مگا الکترون ولت نیز بیشتر است. [62] پراکندگی کامپتون و تولید جفت نمونه هایی از دو مکانیسم رقیب دیگر هستند.

      حتی اگر اثر فوتوالکتریک واکنش مطلوب برای یک برهمکنش خاص یک فوتون منفرد با یک الکترون محدود باشد، نتیجه نیز تابع آمار کوانتومی است و تضمین نمی‌شود. احتمال وقوع اثر فوتوالکتریک با سطح مقطع برهمکنش، σ اندازه گیری می شود. مشخص شده است که این تابعی از عدد اتمی اتم هدف و انرژی فوتون است. در یک تقریب خام، برای انرژی های فوتون بالاتر از بالاترین انرژی اتصال اتمی، مقطع به صورت زیر به دست می آید: [63]

      \sigma ={\mathrm {constant}}\cdot {\frac {Z^{n}}{E^{3}}}

      در اینجا Z عدد اتمی و n عددی است که بین 4 و 5 متغیر است. با افزایش انرژی فوتون، اهمیت اثر فوتوالکتریک به سرعت در ناحیه پرتو گامای طیف کاهش می‌یابد. همچنین احتمال آن از عناصری با عدد اتمی بالا بیشتر است. در نتیجه، مواد با Z بالا سپرهای پرتو گاما خوبی ایجاد می‌کنند ، که دلیل اصلی ترجیح و استفاده گسترده‌تر از سرب ( Z = 82) است. [64]

      همچنین ببینید [ ویرایش ]

      برهمکنش نور-ماده
      تعامل نور-ماده - schematic.svg
      پدیده های کم انرژی:
      اثر فوتوالکتریک
      پدیده های انرژی میانی:
      تامسون در حال پراکندگی
      پراکندگی کامپتون
      پدیده های پر انرژی:
      تولید جفت
      از هم گسیختگی عکس
      فتوفیژن

      منبع

      https://en.wikipedia.org/wiki/Photoelectric_effect

      + نوشته شده در دوشنبه چهارم مهر ۱۴۰۱ ساعت 6:39 توسط علی رضا نقش  | 

      3-اثر فوتوالکتریک

      تاریخچه [ ویرایش ]

      قرن 19 [ ویرایش ]

      در سال 1839، الکساندر ادموند بکرل در حین مطالعه تأثیر نور بر سلول های الکترولیتی ، اثر فتوولتائیک را کشف کرد . [21] اگرچه معادل اثر فوتوالکتریک نیست، کار او روی فتوولتائیک در نشان دادن رابطه قوی بین نور و خواص الکترونیکی مواد مؤثر بود. در سال 1873، ویلوبی اسمیت در حین آزمایش این فلز برای خواص مقاومت بالای آن در ارتباط با کار خود در مورد کابل های تلگراف زیردریایی، رسانایی نوری را در سلنیوم کشف کرد. [22]

      یوهان الستر (1854-1920) و هانس گایتل (1855-1923)، دانش‌آموزانی در هایدلبرگ ، اثرات تولید شده توسط نور بر اجسام برق‌دار را بررسی کردند و اولین سلول‌های فوتوالکتریک عملی را توسعه دادند که می‌توان از آنها برای اندازه‌گیری شدت نور استفاده کرد. [23] [24] : 458  آنها فلزات را با توجه به قدرت تخلیه الکتریسیته منفی مرتب کردند: روبیدیم ، پتاسیم ، آلیاژ پتاسیم و سدیم، سدیم ، لیتیوم ، منیزیم ، تالیم و روی . برای مس ، پلاتین ، سرب ،اثرات آهن ، کادمیوم ، کربن و جیوه با نور معمولی آنقدر کوچک بود که قابل اندازه‌گیری نبود. ترتیب فلزات برای این اثر مانند سری Volta برای تماس با الکتریسیته بود، الکتروپوزیتیوترین فلزات بزرگترین اثر فوتوالکتریک را ارائه می دهند.

      الکتروسکوپ ورق طلا برای نشان دادن اثر فوتوالکتریک. هنگامی که الکتروسکوپ دارای بار منفی است، الکترون های اضافی وجود دارد و برگ ها از هم جدا می شوند. اگر نور با طول موج کوتاه و فرکانس بالا (مانند نور فرابنفش حاصل از یک لامپ قوس الکتریکی ، یا با سوزاندن منیزیم، یا با استفاده از سیم پیچ القایی بین پایانه های روی یا کادمیوم برای تولید جرقه) به درپوش بتابد، الکتروسکوپ تخلیه می شود و برگها سست می ریزند با این حال، اگر فرکانس امواج نور کمتر از مقدار آستانه برای کلاهک باشد، مهم نیست که چه مدت نور را به درپوش بتاباند، برگها تخلیه نمی شوند.

      در سال 1887، هاینریش هرتز اثر فوتوالکتریک [25] را مشاهده کرد و در مورد تولید و دریافت [26] امواج الکترومغناطیسی گزارش داد. [27] گیرنده در دستگاه او از یک سیم پیچ با شکاف جرقه تشکیل شده بود، جایی که با تشخیص امواج الکترومغناطیسی جرقه ای دیده می شود. او دستگاه را در جعبه ای تاریک قرار داد تا جرقه را بهتر ببیند. با این حال، او متوجه شد که حداکثر طول جرقه در داخل جعبه کاهش می یابد. یک صفحه شیشه ای که بین منبع امواج الکترومغناطیسی و گیرنده قرار گرفته است، تابش فرابنفش را جذب می کند که به الکترون ها در پرش از شکاف کمک می کند. در صورت حذف، طول جرقه افزایش می یابد. او وقتی شیشه را با کوارتز جایگزین کرد، هیچ کاهشی در طول جرقه مشاهده نکرد، زیرا کوارتز اشعه UV را جذب نمی کند.

      اکتشافات هرتز منجر به یک سری تحقیقات توسط Hallwachs ، [28] [29] Hoor، [30] Righi [31] و Stoletov [32] [33] در مورد تأثیر نور، و به ویژه اشعه ماوراء بنفش، بر باردار شد. بدن. Hallwachs یک صفحه روی را به یک الکتروسکوپ متصل کرد. او به نور فرابنفش اجازه داد تا روی یک صفحه روی تازه تمیز شده بیفتد و مشاهده کرد که صفحه روی اگر در ابتدا بار منفی داشته باشد، باردار شود، اگر در ابتدا شارژ نشده باشد، بار مثبت داشته باشد، و اگر در ابتدا بار مثبت داشته باشد، بار مثبت بیشتری داشته باشد. از این مشاهدات او به این نتیجه رسید که برخی از ذرات با بار منفی از صفحه روی در هنگام قرار گرفتن در معرض نور ماوراء بنفش ساطع می شوند.

      با توجه به اثر هرتز ، محققان از همان ابتدا پیچیدگی پدیده خستگی فوتوالکتریک را نشان دادند - کاهش تدریجی اثر مشاهده شده بر روی سطوح فلزی تازه. به گفته هالواکس، ازن نقش مهمی در این پدیده بازی کرد، [34] و انتشار تحت تأثیر اکسیداسیون، رطوبت، و درجه صیقل دادن سطح قرار گرفت. در آن زمان مشخص نبود که آیا خستگی در خلاء وجود ندارد یا خیر.

      در دوره 1888 تا 1891، تجزیه و تحلیل دقیق اثر فوتو توسط الکساندر استولتوف با نتایج گزارش شده در شش نشریه انجام شد. [33] استولتوف یک تنظیم آزمایشی جدید را اختراع کرد که برای تجزیه و تحلیل کمی از اثر فوتویی مناسب‌تر بود. او تناسب مستقیمی بین شدت نور و جریان فوتوالکتریک القایی (قانون اول اثر فوتو یا قانون استولتوف ) کشف کرد. او وابستگی شدت جریان الکتریکی عکس را به فشار گاز اندازه‌گیری کرد، جایی که او وجود فشار گاز بهینه مطابق با حداکثر جریان نوری را یافت . از این خاصیت برای ساخت سلول های خورشیدی استفاده شد. [استناد مورد نیاز ]

      بسیاری از مواد علاوه بر فلزات تحت تأثیر اشعه ماوراء بنفش، الکتریسیته منفی را تخلیه می کنند. GC Schmidt [35] و O. Knoblauch [36] فهرستی از این مواد را تهیه کردند.

      در سال 1897، جی جی تامسون نور فرابنفش را در لوله های کروکس بررسی کرد. [37] تامسون استنباط کرد که ذرات پرتاب شده، که او آنها را ذرات نامید، ماهیت مشابهی با پرتوهای کاتدی دارند. این ذرات بعدها به عنوان الکترون شناخته شدند. تامسون یک صفحه فلزی (کاتد) را در یک لوله خلاء محصور کرد و آن را در معرض تابش با فرکانس بالا قرار داد. [38] تصور می‌شد که میدان‌های الکترومغناطیسی نوسانی باعث تشدید میدان اتم‌ها شده و پس از رسیدن به دامنه‌ای معین، باعث گسیل شدن ذرات زیراتمی و تشخیص جریان می‌شود. مقدار این جریان با شدت و رنگ تابش متغیر بود. شدت یا فرکانس تابش بزرگتر جریان بیشتری تولید می کند.[ نیازمند منبع ]

      در طی سالهای 1886-1902، ویلهلم هالواکس و فیلیپ لنارد پدیده تابش فوتوالکتریک را به تفصیل بررسی کردند. لنارد مشاهده کرد که وقتی پرتو فرابنفش روی یکی از آنها می‌افتد ، جریانی از طریق یک لوله شیشه‌ای تخلیه‌شده عبور می‌کند که دو الکترود را در بر می‌گیرد. به محض قطع شدن تابش فرابنفش، جریان نیز قطع می شود. این مفهوم گسیل فوتوالکتریک را آغاز کرد . کشف یونیزاسیون گازها توسط پرتو فرابنفش توسط فیلیپ لنارد در سال 1900 انجام شد. از آنجایی که این اثر در چندین سانتی متر هوا ایجاد شد و تعداد یون های مثبت بیشتری نسبت به منفی ایجاد کرد، طبیعی بود که این پدیده را به عنوان جی جی تامسون تفسیر کنیم. انجام داد، به عنوان یک اثر هرتزبر ذرات موجود در گاز [27]

      قرن بیستم [ ویرایش ]

      در سال 1902، لنارد مشاهده کرد که انرژی تک تک الکترون های ساطع شده با فرکانس (که به رنگ مربوط می شود ) نور افزایش می یابد. [3] به نظر می‌رسد که این با نظریه موجی نور ماکسول ، که پیش‌بینی می‌کرد انرژی الکترون متناسب با شدت تابش است، در تضاد باشد.

      لنارد تغییرات انرژی الکترون را با فرکانس نور با استفاده از یک لامپ قوس الکتریکی قوی مشاهده کرد که او را قادر ساخت تا تغییرات بزرگ در شدت را بررسی کند و قدرت کافی برای بررسی تغییرات پتانسیل الکترود با فرکانس نور را داشت. او انرژی الکترون را با ربط دادن آن به حداکثر پتانسیل توقف (ولتاژ) در یک لوله نوری پیدا کرد. او دریافت که حداکثر انرژی جنبشی الکترون توسط فرکانس نور تعیین می شود. به عنوان مثال، افزایش فرکانس منجر به افزایش حداکثر انرژی جنبشی محاسبه شده برای یک الکترون در هنگام آزادسازی - تابش فرابنفش می شود .نسبت به نور آبی به پتانسیل توقف اعمال شده بالاتری برای قطع جریان در یک لوله نوری نیاز دارد. با این حال، نتایج لنارد به دلیل دشواری در انجام آزمایش‌ها، به جای کمی، کیفی بود: آزمایش‌ها باید روی فلز تازه برش خورده انجام می‌شد تا فلز خالص مشاهده شود، اما در عرض چند دقیقه حتی در خلاء جزئی او اکسید شد. استفاده شده. جریان ساطع شده از سطح با شدت یا روشنایی نور تعیین می شد: دو برابر شدن شدت نور تعداد الکترون های ساطع شده از سطح را دو برابر می کرد.

      تحقیقات لانژوین و یوجین بلوخ [39] نشان داده است که بخش بزرگی از اثر لنارد قطعاً به دلیل اثر هرتز است . با این حال، اثر لنارد بر خود گاز [ توضیحات لازم ] وجود دارد. بازیابی توسط جی جی تامسون [40] و سپس با قاطعیت تر توسط فردریک پالمر، جونیور، [41] [42] انتشار فوتو گاز مورد مطالعه قرار گرفت و ویژگی‌های بسیار متفاوتی نسبت به آنچه در ابتدا توسط لنارد به آن نسبت داده شد نشان داد. [27]

      در سال 1900، فیزیکدان آلمانی ماکس پلانک ، در حالی که تابش جسم سیاه را مطالعه می کرد، در مقاله خود "درباره قانون توزیع انرژی در طیف نرمال" [43] پیشنهاد کرد که انرژی حمل شده توسط امواج الکترومغناطیسی فقط می تواند در بسته های انرژی آزاد شود. . در سال 1905، آلبرت انیشتین مقاله ای را منتشر کرد که در آن این فرضیه را مطرح کرد که انرژی نور در بسته های کوانتیزه گسسته حمل می شود تا داده های تجربی حاصل از اثر فوتوالکتریک را توضیح دهد. اینشتین این نظریه را مطرح کرد که انرژی در هر کوانتوم نور برابر با فرکانس نور ضرب در یک ثابت است که بعدها ثابت پلانک نامیده شد.. یک فوتون بالاتر از فرکانس آستانه انرژی لازم برای بیرون راندن یک الکترون واحد را دارد و اثر مشاهده شده را ایجاد می کند. این یک گام کلیدی در توسعه مکانیک کوانتومی بود. در سال 1914، اندازه‌گیری‌های بسیار دقیق رابرت آ. میلیکان از ثابت پلانک از اثر فوتوالکتریک، از مدل انیشتین پشتیبانی کرد، حتی اگر یک تئوری جسمی نور برای میلیکان، در آن زمان، «کاملاً غیرقابل تصور» بود. [44] اینشتین در سال 1921 جایزه نوبل فیزیک را برای "کشف قانون اثر فوتوالکتریک" دریافت کرد، و میلیکان در سال 1923 جایزه نوبل را برای "کارش در مورد بار اولیه الکتریسیته و در مورد انرژی الکتریکی" دریافت کرد. اثر فوتوالکتریک". [46]در تئوری اغتشاش کوانتومی اتم‌ها و جامدات که توسط تابش الکترومغناطیسی بر روی آنها اثر می‌گذارند، اثر فوتوالکتریک هنوز معمولاً بر حسب امواج تحلیل می‌شود. این دو رویکرد معادل هستند زیرا جذب فوتون یا موج فقط می تواند بین سطوح انرژی کوانتیزه شده اتفاق بیفتد که تفاوت انرژی آن انرژی فوتون است.[47] [17]

      توصیف ریاضی آلبرت انیشتین از چگونگی ایجاد اثر فوتوالکتریک توسط جذب کوانتومی نور در یکی از مقالات Annus Mirabilis او به نام "در مورد دیدگاه اکتشافی در مورد تولید و تبدیل نور" بود. این مقاله توضیح ساده‌ای از کوانتوم‌های نور یا فوتون‌ها ارائه کرد و نشان داد که چگونه پدیده‌هایی مانند اثر فوتوالکتریک را توضیح می‌دهند. توضیح ساده او از نظر جذب کوانتومای گسسته نور با نتایج تجربی موافق بود. توضیح داد که چرا انرژی فوتوالکترون ها فقط به فرکانس نور فرودی وابسته است و نه به شدت آن.: در شدت پایین، منبع فرکانس بالا می تواند چند فوتون انرژی بالا را تامین کند، در حالی که در شدت بالا، منبع فرکانس پایین هیچ فوتونی با انرژی فردی کافی برای جابجایی هر الکترونی تامین نمی کند. این یک جهش نظری عظیم بود، اما در ابتدا با این مفهوم به شدت مخالفت شد زیرا با نظریه موج نور که به طور طبیعی از معادلات الکترومغناطیس جیمز کلرک ماکسول ، و به طور کلی، با فرض تقسیم پذیری بی نهایت انرژی در سیستم های فیزیکی در تضاد بود. . حتی پس از اینکه آزمایش‌ها نشان داد که معادلات انیشتین برای اثر فوتوالکتریک دقیق هستند، مقاومت در برابر ایده فوتون‌ها ادامه یافت.

      کار انیشتین پیش‌بینی کرد که انرژی تک تک الکترون‌های پرتاب‌شده به صورت خطی با فرکانس نور افزایش می‌یابد. شاید تعجب آور باشد که این رابطه دقیق در آن زمان آزمایش نشده بود. در سال 1905 مشخص شد که انرژی فوتوالکترون ها با افزایش فرکانس نور فرودی افزایش می یابد و مستقل از شدت نور است. با این حال، نحوه افزایش تا سال 1914 که میلیکان نشان داد که پیش‌بینی اینشتین درست است، به‌طور تجربی تعیین نشد. [4]

      اثر فوتوالکتریک به پیشبرد مفهوم دوگانگی موج-ذره در ماهیت نور کمک کرد. نور به طور همزمان دارای ویژگی های امواج و ذرات است که هر کدام با توجه به شرایط ظاهر می شوند. درک این اثر از نظر توصیف موج کلاسیک نور غیرممکن بود، [48] [49] [50] زیرا انرژی الکترون‌های ساطع شده به شدت تابش فرودی بستگی ندارد. تئوری کلاسیک پیش‌بینی می‌کرد که الکترون‌ها در یک دوره زمانی انرژی «جمع‌آوری» کرده و سپس گسیل می‌شوند. [49] [51]

      موارد استفاده و اثرات [ ویرایش ]

      فتو ضرب کننده [ ویرایش ]

      مقاله اصلی: Photomultiplier

      فتو ضربی

      اینها لوله های خلاء بسیار حساس به نور با یک فوتوکاتد پوشش داده شده در داخل پاکت هستند. کاتد عکس حاوی ترکیبی از موادی مانند سزیم، روبیدیم و آنتیموان است که به‌طور ویژه برای ارائه عملکرد کم انتخاب شده‌اند، بنابراین هنگامی که حتی با سطوح بسیار کم نور روشن می‌شود، فوتوکاتد به آسانی الکترون‌ها را آزاد می‌کند. با استفاده از یک سری الکترود (داینود) در پتانسیل‌های بالاتر، این الکترون‌ها شتاب می‌گیرند و از طریق انتشار ثانویه به طور قابل‌توجهی تعدادشان افزایش می‌یابد تا یک جریان خروجی به راحتی قابل تشخیص باشد. مولتی‌پلی‌کننده‌های نوری هنوز هم معمولاً در جاهایی که سطوح پایین نور باید تشخیص داده شود استفاده می‌شوند. [52]

      حسگرهای تصویر [ ویرایش ]

      لوله‌های دوربین فیلم‌برداری در روزهای اولیه تلویزیون از اثر فوتوالکتریک استفاده می‌کردند، به عنوان مثال، " تشفح کننده تصویر " فیلو فارنسورث از صفحه‌ای استفاده می‌کرد که توسط اثر فوتوالکتریک شارژ می‌شد تا یک تصویر نوری را به سیگنال الکترونیکی اسکن شده تبدیل کند. [53]

      طیف سنجی فوتوالکترون [ ویرایش ]

      مقاله‌های اصلی: طیف‌سنجی تابش نور ، طیف‌سنجی انتشار نوری با تفکیک زاویه‌ای ، و طیف‌سنجی فوتوالکترون پرتو ایکس

      طیف‌سنجی گسیل نوری تفکیک‌شده با زاویه ( ARPES ). لامپ تخلیه هلیوم نور ماوراء بنفش را در خلاء فوق العاده بالا به نمونه می تابد. تحلیلگر الکترونی نیمکره توزیع الکترون های پرتاب شده را با توجه به انرژی و تکانه اندازه گیری می کند.

      از آنجایی که انرژی جنبشی الکترون‌های ساطع شده دقیقاً انرژی فوتون فرودی منهای انرژی اتصال الکترون در یک اتم، مولکول یا جامد است، انرژی اتصال را می‌توان با تابش یک پرتو ایکس تک رنگ یا نور UV مشخص کرد. انرژی و اندازه گیری انرژی جنبشی فوتوالکترون ها. [17] از نظر انرژی های اتصال مجاز و لحظه ای الکترون ها. ابزارهای مدرن برای طیف‌سنجی انتشار نوری با تفکیک زاویه‌ای قادر به اندازه‌گیری این مقادیر با دقتی بهتر از 1 مگا ولت و 0.1 درجه هستند. توزیع انرژی های الکترون برای مطالعه خواص کوانتومی این سیستم ها ارزشمند است. همچنین می توان از آن برای تعیین ترکیب عنصری نمونه ها استفاده کرد. برای جامدات، انرژی جنبشی و توزیع زاویه انتشار فوتوالکترون ها برای تعیین کامل ساختار نوار الکترونیکی اندازه گیری می شود.

      اندازه‌گیری‌های طیف‌سنجی فوتوالکترون معمولاً در یک محیط با خلاء بالا انجام می‌شود، زیرا الکترون‌ها در صورت وجود توسط مولکول‌های گاز پراکنده می‌شوند. با این حال، برخی از شرکت ها در حال حاضر محصولاتی را می فروشند که امکان انتشار نور در هوا را فراهم می کند. منبع نور می تواند لیزر، لوله تخلیه یا منبع تشعشع سنکروترون باشد. [54]

      آنالایزر نیمکره متحدالمرکز یک تحلیلگر انرژی الکترونی معمولی است. از میدان الکتریکی بین دو نیمکره برای تغییر (پراکنده کردن) مسیر الکترون های فرودی بسته به انرژی جنبشی آنها استفاده می کند.

      دستگاه های دید در شب [ ویرایش ]

      برخورد فوتون ها به یک لایه نازک از فلز قلیایی یا مواد نیمه هادی مانند آرسنید گالیم در یک لوله تشدید کننده تصویر باعث بیرون راندن فوتوالکترون ها به دلیل اثر فوتوالکتریک می شود. اینها توسط یک میدان الکترواستاتیکی شتاب می گیرند که در آن به صفحه پوشیده شده با فسفر برخورد می کنند و الکترون ها را دوباره به فوتون تبدیل می کنند. تشدید سیگنال یا از طریق شتاب الکترون ها یا با افزایش تعداد الکترون ها از طریق گسیل های ثانویه، مانند صفحه میکرو کانال به دست می آید.. گاهی اوقات ترکیبی از هر دو روش استفاده می شود. انرژی جنبشی اضافی برای حرکت یک الکترون از نوار رسانایی به سطح خلاء لازم است. این به عنوان مدل شکافمیل الکترونی فوتوکاتد و مانع دیگری برای انتشار نور غیر از نوار ممنوعه است که توسطمدل. برخی از مواد مانند آرسنید گالیم دارای میل الکترونی موثری هستند که کمتر از سطح نوار رسانایی است. در این مواد، الکترون‌هایی که به سمت نوار رسانایی حرکت می‌کنند، همگی انرژی کافی برای گسیل شدن از ماده دارند، بنابراین لایه‌ای که فوتون‌ها را جذب می‌کند می‌تواند کاملا ضخیم باشد. این مواد به عنوان مواد میل الکترونی منفی شناخته می شوند.

      + نوشته شده در دوشنبه چهارم مهر ۱۴۰۱ ساعت 6:34 توسط علی رضا نقش  | 

      2-اثر فوتوالکتریک

      توضیح نظری [ ویرایش ]

      نمودار حداکثر انرژی جنبشی به عنوان تابعی از فرکانس نور روی.

      در سال 1905، انیشتین با استفاده از مفهومی که برای اولین بار توسط ماکس پلانک ارائه شد ، نظریه ای درباره اثر فوتوالکتریک ارائه کرد که نور از بسته های کوچک انرژی به نام فوتون ها یا کوانتوم های نور تشکیل شده است. هر بسته حامل انرژی استh\nuکه متناسب با فرکانس است\nuاز موج الکترومغناطیسی مربوطه ثابت تناسبساعتبه ثابت پلانک معروف شده است . حداکثر انرژی جنبشی K_{\max}از الکترون هایی که قبل از حذف شدن از پیوند اتمی خود این مقدار انرژی داده شده است

      {\displaystyle K_{\max }=h\,\nu -W,}

      جایی کهدبلیوحداقل انرژی لازم برای حذف یک الکترون از سطح ماده است. تابع کار سطح نامیده می شود و گاهی اوقات نشان داده می شود\ فییا\varphi. [14] اگر تابع کار به صورت نوشته شود

      {\displaystyle W=h\,\nu _{o},}

      فرمول ماکزیمم انرژی جنبشی الکترون های پرتاب شده تبدیل می شود

      {\displaystyle K_{\max }=h\left(\nu -\nu _{o}\right).}

      انرژی جنبشی مثبت است، و{\displaystyle \nu >\nu _{o}}برای رخ دادن اثر فوتوالکتریک لازم است. [15] فرکانس{\displaystyle \nu _{o}}فرکانس آستانه برای ماده داده شده است. بالاتر از آن فرکانس، حداکثر انرژی جنبشی فوتوالکترون ها و همچنین ولتاژ توقف در آزمایش{\textstyle V_{o}={\frac {h}{e}}\left(\nu -\nu _{o}\right)}با فرکانس به صورت خطی افزایش می‌یابد و هیچ وابستگی به تعداد فوتون‌ها و شدت نور تک رنگی برخوردی ندارد. فرمول انیشتین، هر چند ساده، تمام پدیدارشناسی اثر فوتوالکتریک را توضیح داد و پیامدهای گسترده ای در توسعه مکانیک کوانتومی داشت.

      انتشار نور از اتم ها، مولکول ها و جامدات [ ویرایش ]

      الکترون‌هایی که در اتم‌ها، مولکول‌ها و جامدات متصل هستند، هر کدام حالت‌های متمایزی از انرژی‌های اتصال کاملاً مشخص را اشغال می‌کنند . هنگامی که کوانتوم های نوری بیش از این مقدار انرژی را به یک الکترون منفرد می دهند، الکترون ممکن است با انرژی اضافی (سینتیکی) به فضای آزاد گسیل شود.h\nuبالاتر از انرژی اتصال الکترون است. بنابراین، توزیع انرژی های جنبشی منعکس کننده توزیع انرژی های اتصال الکترون ها در سیستم اتمی، مولکولی یا کریستالی است: الکترونی که در انرژی اتصال از حالت گسیل می شود.E_{B}در انرژی جنبشی یافت می شودE_{k}=h\nu -E_{B}. این توزیع یکی از مشخصه های اصلی سیستم کوانتومی است و می توان از آن برای مطالعات بیشتر در شیمی کوانتومی و فیزیک کوانتومی استفاده کرد.

      مدل های انتشار نور از جامدات [ ویرایش ]

      خواص الکترونیکی جامدات مرتب و کریستالی با توزیع حالت های الکترونیکی با توجه به انرژی و تکانه تعیین می شود - ساختار نوار الکترونیکی جامد. مدل‌های نظری انتشار نور از جامدات نشان می‌دهد که این توزیع، در بیشتر موارد، در اثر فوتوالکتریک حفظ می‌شود. مدل سه مرحله ای پدیدارشناختی [16] برای تحریک اشعه ماوراء بنفش و نرم اشعه ایکس، اثر را به این مراحل تجزیه می کند: [17] [18] [19]

      1. اثر فوتوالکتریک داخلی در بخش عمده مواد که یک انتقال نوری مستقیم بین حالت الکترونیکی اشغال شده و غیر اشغالی است. این اثر تابع قوانین انتخاب مکانیکی کوانتومی برای انتقال دوقطبی است. سوراخ باقی مانده در پشت الکترون می تواند منجر به گسیل الکترون ثانویه یا به اصطلاح اثر اوگر شود که ممکن است حتی زمانی که فوتوالکترون اولیه از ماده خارج نشود قابل مشاهده باشد. در جامدات مولکولی فونون ها در این مرحله برانگیخته می شوند و ممکن است به صورت خطوط ماهواره ای در انرژی الکترون نهایی قابل مشاهده باشند.
      2. انتشار الکترون به سطحی که ممکن است برخی از الکترون ها در آن به دلیل برهمکنش با سایر اجزای تشکیل دهنده جامد پراکنده شوند. الکترون‌هایی که در اعماق جامدات منشا می‌گیرند، بسیار بیشتر در معرض برخورد قرار می‌گیرند و با انرژی و تکانه تغییر یافته ظاهر می‌شوند. مسیر بدون میانگین آنها یک منحنی جهانی است که به انرژی الکترون وابسته است.
      3. الکترون از طریق مانع سطحی به حالت‌های الکترون آزاد خلاء فرار می‌کند. در این مرحله الکترون انرژی را به مقدار تابع کاری سطح از دست می دهد و در جهت عمود بر سطح دچار افت تکانه می شود. زیرا انرژی اتصال الکترون ها در جامدات به راحتی با توجه به بالاترین حالت اشغال شده در انرژی فرمی بیان می شود.E_Fو تفاوت با انرژی فضای آزاد (خلاء) تابع کار سطح است، انرژی جنبشی الکترون های ساطع شده از جامدات معمولاً به صورت نوشته می شود.{\displaystyle E_{k}=h\nu -W-E_{B}}.

      مواردی وجود دارد که مدل سه مرحله ای نمی تواند ویژگی های توزیع شدت فوتوالکترون را توضیح دهد. مدل یک مرحله‌ای دقیق‌تر [20] اثر را به‌عنوان یک فرآیند منسجم از برانگیختگی نوری به حالت نهایی یک کریستال محدود در نظر می‌گیرد که برای آن تابع موج در خارج از کریستال شبیه الکترون آزاد است، اما درون آن یک پوشش در حال فروپاشی دارد. [19]

      + نوشته شده در دوشنبه چهارم مهر ۱۴۰۱ ساعت 6:30 توسط علی رضا نقش  | 

      1-اثر فوتوالکتریک

      از ویکیپدیا، دانشنامه آزاد

      پرش به ناوبریپرش به جستجو

      انتشار الکترون ها از یک صفحه فلزی ناشی از کوانتوم های نور - فوتون ها .

      اثر فوتوالکتریک ، گسیل الکترون‌هایی است که تابش الکترومغناطیسی ، مانند نور ، به یک ماده برخورد می‌کند. الکترون هایی که به این روش گسیل می شوند فوتوالکترون نامیده می شوند. این پدیده در فیزیک ماده چگال ، و حالت جامد و شیمی کوانتومی برای استنتاج در مورد خواص اتم‌ها، مولکول‌ها و جامدات مورد مطالعه قرار می‌گیرد. این اثر در دستگاه‌های الکترونیکی متخصص برای تشخیص نور و انتشار الکترون به‌طور دقیق استفاده شده است.

      نتایج تجربی با الکترومغناطیس کلاسیک مخالف است، که پیش‌بینی می‌کند امواج نور پیوسته انرژی را به الکترون‌ها منتقل می‌کنند، که پس از جمع‌آوری انرژی کافی منتشر می‌شوند. تغییر در شدت نور از نظر تئوری انرژی جنبشی الکترون‌های ساطع شده را تغییر می‌دهد و نور به اندازه کافی کم‌رنگ و منجر به انتشار تاخیری می‌شود. نتایج تجربی در عوض نشان می‌دهد که الکترون‌ها تنها زمانی از جای خود خارج می‌شوند که نور از فرکانس خاصی تجاوز کند- صرف نظر از شدت یا مدت قرار گرفتن در معرض نور. از آنجا که یک پرتو فرکانس پایین با شدت بالا انرژی لازم برای تولید فوتوالکترون را ایجاد نمی کند، همانطور که اگر انرژی نور در طول زمان از یک موج پیوسته انباشته شود، آلبرت انیشتین پیشنهاد کرد که یک پرتو نور یک موج در حال انتشار نیست. از طریق فضا، اما گروهی از بسته های انرژی گسسته، معروف به فوتون .

      انتشار الکترون های رسانا از فلزات معمولی به چند کوانتوم نور الکترون ولت (eV) نیاز دارد که مربوط به نور مرئی یا فرابنفش با طول موج کوتاه است. در موارد شدید، انتشار با فوتون‌هایی که به انرژی صفر نزدیک می‌شوند، القا می‌شوند، مانند سیستم‌هایی با میل الکترونی منفی و گسیل از حالت‌های برانگیخته، یا چند صد فوتون کو برای الکترون‌های هسته در عناصر با عدد اتمی بالا . [1] مطالعه اثر فوتوالکتریک منجر به گام‌های مهمی در درک ماهیت کوانتومی نور و الکترون شد و بر شکل‌گیری مفهوم دوگانگی موج-ذره تأثیر گذاشت . [2]پدیده های دیگری که نور بر حرکت بارهای الکتریکی تأثیر می گذارد عبارتند از: اثر رسانای نوری، اثر فتوولتائیک و اثر فوتوالکتروشیمیایی .

      فهرست

      مکانیسم انتشار [ ویرایش ]

      فوتون های یک پرتو نور دارای یک انرژی مشخصه به نام انرژی فوتون هستند که متناسب با فرکانس نور است. در فرآیند گسیل نور، زمانی که یک الکترون درون برخی از مواد، انرژی فوتون را جذب کرده و انرژی بیشتری نسبت به انرژی اتصال آن به دست می آورد ، احتمالاً پرتاب می شود. اگر انرژی فوتون خیلی کم باشد، الکترون قادر به فرار از ماده نیست. از آنجایی که افزایش شدت نور با فرکانس پایین فقط تعداد فوتون های کم انرژی را افزایش می دهد، این تغییر شدت هیچ فوتون منفردی با انرژی کافی برای جابجایی یک الکترون ایجاد نمی کند. علاوه بر این، انرژی الکترون های ساطع شده به شدت نور ورودی یک فرکانس معین بستگی ندارد، بلکه فقط به انرژی تک فوتون ها بستگی دارد.

      در حالی که الکترون‌های آزاد می‌توانند هر انرژی را در هنگام تابش جذب کنند، تا زمانی که به دنبال آن یک بازتابش فوری به دنبال داشته باشد، مانند اثر کامپتون ، در سیستم‌های کوانتومی تمام انرژی یک فوتون جذب می‌شود – اگر این فرآیند توسط مکانیک کوانتومی اجازه داده شود . یا اصلا هیچ کدام بخشی از انرژی به دست آمده برای آزاد کردن الکترون از اتصال اتمی آن استفاده می شود و بقیه به انرژی جنبشی الکترون به عنوان یک ذره آزاد کمک می کند. [3] [4] [5]از آنجایی که الکترون‌ها در یک ماده بسیاری از حالت‌های کوانتومی مختلف را با انرژی‌های اتصال متفاوت اشغال می‌کنند، و از آنجا که می‌توانند تلفات انرژی را در مسیر خروج از ماده حفظ کنند، الکترون‌های ساطع شده طیفی از انرژی‌های جنبشی خواهند داشت. الکترون های بالاترین حالت های اشغال شده دارای بالاترین انرژی جنبشی خواهند بود. در فلزات، آن الکترون ها از سطح فرمی ساطع می شوند .

      هنگامی که فوتوالکترون به جای خلاء به یک جامد گسیل می‌شود، اصطلاح انتشار نور داخلی اغلب استفاده می‌شود و گسیل در خلاء به عنوان انتشار نور خارجی متمایز می‌شود .

      مشاهده تجربی گسیل فوتوالکتریک [ ویرایش ]

      حتی اگر انتشار نور می تواند از هر ماده ای رخ دهد، به راحتی از فلزات و سایر رساناها مشاهده می شود. این به این دلیل است که فرآیند یک عدم تعادل بار ایجاد می کند که اگر توسط جریان جریان خنثی نشود، منجر به افزایش مانع پتانسیل می شود تا زمانی که انتشار به طور کامل متوقف شود. سد انرژی برای انتشار نور معمولاً توسط لایه‌های اکسید نارسانا روی سطوح فلزی افزایش می‌یابد، بنابراین بیشتر آزمایش‌های عملی و دستگاه‌های مبتنی بر اثر فوتوالکتریک از سطوح فلزی تمیز در لوله‌های تخلیه شده استفاده می‌کنند. خلاء همچنین به مشاهده الکترون‌ها کمک می‌کند زیرا مانع از عبور گازها بین الکترودها می‌شود.

      از آنجایی که نور خورشید به دلیل جذب اتمسفر، نور ماوراء بنفش زیادی را ارائه نمی کند، نور غنی از اشعه ماوراء بنفش قبلاً با سوزاندن منیزیم یا از یک لامپ قوس الکتریکی به دست می آمد . در حال حاضر، لامپ‌های بخار جیوه ، لامپ‌های تخلیه گاز نجیب UV و منابع پلاسمایی فرکانس رادیویی ، [6] [7] [8] لیزرهای فرابنفش ، [9] و دستگاه درج سنکروترون [10] منابع نور غالب هستند.

      شماتیک آزمایش برای نشان دادن اثر فوتوالکتریک. نور تک رنگ فیلتر شده با طول موج معین به الکترود ساطع کننده (E) در داخل یک لوله خلاء برخورد می کند. الکترود کلکتور (C) به یک ولتاژ V C بایاس می شود که می تواند تنظیم شود تا الکترون های ساطع شده را در صورت مثبت جذب کند یا از رسیدن هر یک از آنها به کلکتور در صورت منفی جلوگیری کند.

      تنظیم کلاسیک برای مشاهده اثر فوتوالکتریک شامل یک منبع نور، مجموعه ای از فیلترها برای تک رنگ کردن نور، یک لوله خلاء شفاف در برابر نور ماوراء بنفش، یک الکترود ساطع کننده (E) در معرض نور و یک کلکتور (C) که ولتاژ آن V است. C را می توان به صورت خارجی کنترل کرد.

      یک ولتاژ خارجی مثبت برای هدایت الکترون‌های تابیده شده به سمت کلکتور استفاده می‌شود. اگر فرکانس و شدت تابش فرودی ثابت باشد، جریان فوتوالکتریک I با افزایش ولتاژ مثبت افزایش می یابد، زیرا الکترون های بیشتری به الکترود هدایت می شوند. هنگامی که هیچ فوتوالکترون اضافی نمی توان جمع آوری کرد، جریان فوتوالکتریک به مقدار اشباع می رسد. این جریان تنها با افزایش شدت نور می تواند افزایش یابد.

      افزایش ولتاژ منفی از رسیدن همه الکترون ها به کلکتور به جز الکترون های پرانرژی جلوگیری می کند. هنگامی که هیچ جریانی از طریق لوله مشاهده نمی شود، ولتاژ منفی به مقداری رسیده است که به اندازه کافی بالا است تا پرانرژی ترین فوتوالکترون های انرژی جنبشی K max را کاهش داده و متوقف کند . این مقدار ولتاژ کندکننده را پتانسیل توقف یا قطع پتانسیل V o می نامند . [11] از آنجایی که کار انجام شده توسط پتانسیل کندکننده در توقف الکترون بار e eV o است ، موارد زیر باید eV o = K max را حفظ کنند.

      منحنی جریان-ولتاژ سیگموئیدی است، اما شکل دقیق آن به هندسه آزمایشی و خواص مواد الکترود بستگی دارد.

      برای یک سطح فلزی معین، حداقل فرکانس مشخصی از تابش برخوردی وجود دارد که از زیر آن هیچ فوتوالکترونی ساطع نمی شود. این فرکانس فرکانس آستانه نامیده می شود . افزایش فرکانس پرتو فرودی، حداکثر انرژی جنبشی فوتوالکترون های ساطع شده را افزایش می دهد و ولتاژ توقف باید افزایش یابد. تعداد الکترون‌های گسیل‌شده نیز ممکن است تغییر کند، زیرا احتمال اینکه هر فوتون منجر به یک الکترون گسیل‌شده شود، تابعی از انرژی فوتون است.

      افزایش شدت همان نور تک رنگ (تا زمانی که شدت آن خیلی زیاد نباشد [12] )، که متناسب با تعداد فوتون هایی است که در یک زمان معین به سطح برخورد می کنند، سرعت پرتاب الکترون ها را افزایش می دهد. -جریان فوتوالکتریک I- اما انرژی جنبشی فوتوالکترونها و ولتاژ توقف ثابت می ماند. برای یک فلز معین و فرکانس تابش تابشی، سرعت پرتاب فوتوالکترون ها مستقیماً با شدت نور فرودی متناسب است.

      فاصله زمانی بین بروز تابش و گسیل یک فوتوالکترون بسیار کوچک است، کمتر از 10-9 ثانیه. توزیع زاویه ای فوتوالکترون ها به شدت به پلاریزاسیون (جهت میدان الکتریکی) نور فرودی و همچنین خواص کوانتومی ماده گسیل کننده مانند تقارن های مداری اتمی و مولکولی و ساختار نوار الکترونیکی جامدات کریستالی وابسته است. در مواد بدون نظم ماکروسکوپی، توزیع الکترون ها در جهت قطبش نور قطبی شده خطی به اوج می رسد. [13] روش آزمایشی که می‌تواند این توزیع‌ها را برای استنباط خواص مواد اندازه‌گیری کند، طیف‌سنجی انتشار نوری تفکیک‌شده با زاویه است .

      + نوشته شده در دوشنبه چهارم مهر ۱۴۰۱ ساعت 6:14 توسط علی رضا نقش  |