В начале XX в. для измерений стали использовать физическое явление, называемое фотоэлектрическим эффектом, т. е. способность некоторых веществ создавать электрический ток или изменять его величину под воздействием света.
Лучи света, падая на поверхность металлической пластинки (для данной цели используются такие щелочные металлы, как калий или цезий), передают свою энергию электронам, находящимся внутри металла. Приобретенная энергия увеличивает скорость их движения, и электроны могут преодолеть силы, удерживающие их внутри металла, и вылететь за пределы его поверхности, создавая таким образом фотоэлектронную эмиссию с поверхности пластинки (фотокатода). Это элементарное описание фотоэлемента с внешним фотоэффектом. На явлении внешнего фотоэффекта основано действие фотоэлектронных умножителей.
Если вместо металлической пластинки взять стеклянную, нанести на нее светочувствительный слой полупроводникового вещества (например, селена, сернистого таллия, сернистого висмута и т. п.), подключить полученное устройство к внешней цепи и осветить пластинку, то можно наблюдать явление внутреннего фотоэффекта. Под действием света уменьшается внутреннее сопротивление полупроводника. Такие устройства получили наименование фотосопротивлений.
В гидрофотометрии наибольшее применение нашли фотоэлементы с фотоэффектом в запирающем слое. Они также изготовляются из полупроводников — селена, германия, кремния и т. п. Их основным достоинством является возможность получения значительного фототока при освещении активной поверхности без всякого внешнего источника электродвижущей силы.
Применение приемников излучения, действие которых основано на явлении фотоэффекта (фотоэлементов), позволило провести многочисленные измерения освещенности в различных районах Мирового океана.
Принцип действия практически всех современных подводных, фотометров базируется на использовании закона, открытого Столетовым, о том, что величина тока, вырабатываемого фотоэлементом, прямо пропорциональна падающему на него световому потоку. Поэтому, регистрируя значения фототока на различных глубинах, мы можем определить освещенность на интересующем нас горизонте. Естественно, что каждый гидрофотометр проходит предварительную градуировку на фотометрической скамье, где определяется, какой отсчет регистрирующего прибора соответствует тому или иному значению освещенности.
В качестве датчика в гидрофотометрах чаще всего применяют селеновый фотоэлемент с запирающим слоем.
На рис. 36 в схематическом виде изображено устройство такого фотоэлемента. На железную пластинку 1 нанесен слой селена 2, на который напыляется очень тонкая (тысячные доли микрона) золотая или платиновая полупрозрачная пленка 4. В процессе обработки фотоэлемента на поверхности селена образуется тонкий запирающий слой 3. На полупрозрачную золотую пленку накладывается контактное кольцо 5. Вторым электродом является железная пластинка. Весь фотоэлемент помещается в изолирующий пластмассовый корпус 6.
Кроме простоты устройства селеновый фотоэлемент обладает еще одним немаловажным достоинством: его спектральная чувствительность близка к чувствительности человеческого глаза. Из всех известных в настоящее время фотоэлементов селеновый легче всего откорректировать с помощью светофильтров, так чтобы его чувствительность соответствовала кривой видности глаза (рис. 37).
Для измерений в море фотоэлемент помещается в герметический корпус, иллюминатор которого делается из толстого молочного стекла и имеет выпуклую форму. Нужно это для того, чтобы на поверхности фотоэлемента собирался весь свет, рассеянный в верхней (или в нижней, если иллюминатор направлен вниз) полусфере, а не только лучи, отвесно падающие на приемник излучения.
Внешний вид одного из первых промышленных образцов измерителя подводной освещенности (ФМПО-57) показан на рис. 38. Прибор имеет вид люстры, у которой четыре иллюминатора направлены вверх и один — вниз. В трех из пяти корпусов датчиков прибора перед селеновым фотоэлементом помещены светофильтры: красный, синий и зеленый. Это позволяет не только измерять общий световой поток, но и выделять его спектральные составляющие. Для того чтобы в результате измерений можно было определить интенсивность излучения, идущего из глубин моря к его поверхности, пятый фотоэлемент помещен в корпус, иллюминатор которого обращен вниз.
Рис. 36. Схема устройства селенового фотоэлемента
1 — железная пластинка; 2 — слой селена; 3 — запирающий слой; 4 — золотая или платиновая пленка; 5 — контактное кольцо; 6 — пластмассовый корпус
Рис. 37. Спектральные характеристики селенового фотоэлемента без коррекции 1, с корректирующим светофильтром 2 и спектральная чувствительность глаза 3
Рис. 38. Внешний вид измерителя подводной освещенности ФМПО-57
Рис. 39. Комплект прибора ФМПО-64
Прибор ФМПО-57 на тросе океанологической лебедки погружается в море до глубины 100–150 м. Фототок, вырабатываемый селенами под действием света, передается по кабелю на борт судна, где и регистрируется микроамперметром.
При всей простоте конструкции у этого прибора было много недостатков. Дело в том, что освещенность в море меняется в очень широких пределах: от десятков тысяч люксов у поверхности до единиц на глубине около 100 м. А селеновые фотоэлементы очень не любят больших засветок, так как при этом их фототок перестает быть прямо пропорциональным интенсивности света. Другими словами, прибор типа ФМПО-57 начинал работать с достаточной точностью только тогда, когда его погружали на глубину в несколько десятков метров, где освещенность не превышала 100–200 лк. Кроме того, для изучения способности морской воды пропускать свет с различными длинами волн трехцветных светофильтров было явно мало.
Группа конструкторов Загорского оптико-механического завода (под руководством Н. Ф. Шипули и В. И. Рябинина) и инженер лаборатории гидрооптики Института океанологии А. К. Карелин создали хотя и несколько сложный конструктивно, но более совершенный прибор для измерения освещенности в море ФМПО-60 и ряд его последующих модификаций (ФМПО-64 и ЛЮПО).
Прибор ФМПО-64 (рис. 39) имеет вид шара с тремя иллюминаторами, направленными вверх, вниз и под углом 90° к вертикали. Внутри герметической сферы помещен селеновый фотоэлемент, который с помощью небольшого электромоторчика может устанавливаться перед каждым из трех окон. Кроме того, в сфере помещены два диска с наборами цветных и нейтральных светофильтров, которые (также с помощью моторчиков) выставляются в нужном положении между иллюминатором и фотоэлементом. Такое устройство позволяет по мере погружения прибора в глубь моря менять плотность ослабителей света (нейтральных светофильтров), что предохраняет селен от больших засветок. В этом приборе уже не три, а шесть цветных фильтров, равномерно делящих всю видимую область спектра на относительно узкие участки. Все управление осуществляется дистанционно с пульта, установленного на борту судна и соединенного с прибором кабелем.
ФМПО-60 обладает еще одним достоинством. В его комплект входит не только измеритель подводной освещенности, но и датчик аналогичного устройства для измерения света, падающего на поверхность моря. Поверхностный датчик устанавливается на незатеняемом участке палубы или какой-нибудь судовой надстройки, и с его помощью фиксируют все изменения, происходящие в освещении поверхности моря во время измерений.
Прибором ФМПО-60 в таких чистых водах, как воды открытых районов океана, или в Средиземном море можно регистрировать свет до глубин 200–250 м. Для измерения света на больших глубинах чувствительности фотоэлементов обычно уже не хватает и их заменяют фотоэлектронными умножителями (ФЭУ). Оптические схемы измерителей освещенности с применением ФЭУ практически мало чем отличаются от приборов с фотоэлементами. В них также входят наборы из нейтральных и цветных светофильтров.
Решая многие задачи оптики моря, надо уметь измерять не только свет, идущий в глубь моря или направленный к его поверхности, но и общую интенсивность излучения, приходящего в данную точку со всех направлений. Для этого у приборов типа ФМПО-60 предусмотрена специальная приставка, изготовленная из молочного оргстекла и имеющая форму шара. Она крепится к боковому иллюминатору прибора. Такой сферический приемник излучения воспринимает свет, идущий со всех сторон, и направляет его на фотоэлемент. Измерения, проведенные с приставкой, позволяют, в частности, определять показатель поглощения морской воды.
