Tài liệu tham khảo: Ánh sáng và Năng lượng

Chia sẻ: Quynh Nguyen | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:8

Thêm vào BST

Báo xấu

91
lượt xem 3
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Ứng dụng chụp ảnh quang điện tử: Sự chuyển hóa ánh sáng thành tín hiệu điện Một trong những ứng dụng thông dụng nhất của hiệu ứng quang điện là trong các dụng cụ dùng để phát hiện photon mang thông tin về hình ảnh trong camera, kính hiển vi, kính thiên văn và những dụng cụ ghi ảnh khác. Với sự phát triển của công nghệ ghi ảnh kĩ thuật số, sự tiến bộ nhanh chóng đã xuất hiện trong công nghệ dùng để chuyển hóa ánh sáng thành tín hiệu điện có ý nghĩa....

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Tài liệu tham khảo: Ánh sáng và Năng lượng

Ánh sáng và Năng lượng Ứng dụng chụp ảnh quang điện tử: Sự chuyển hóa ánh sáng thành tín hiệu điện Một trong những ứng dụng thông dụng nhất của hiệu ứng quang điện là trong các dụng cụ dùng để phát hiện photon mang thông tin về hình ảnh trong camera, kính hiển vi, kính thiên văn và những dụng cụ ghi ảnh khác. Với sự phát triển của công nghệ ghi ảnh kĩ thuật số, sự tiến bộ nhanh chóng đã xuất hiện trong công nghệ dùng để chuyển hóa ánh sáng thành tín hiệu điện có ý nghĩa. Một vài loại detector ánh sáng đang được sử dụng phổ biến. Một số thu nhận các tín hiệu có thông tin hình ảnh mà không phân biệt không gian, còn một số khác là những detector cục bộ bắt lấy hình ảnh trực tiếp hơn với thông tin không gian và cường độ kết hợp. Các detector ánh sáng dựa trên hiệu ứng quang điện gồm các ống nhân quang, các diode quang thác, dụng cụ tích điện kép, bộ phận khuếch đại hình ảnh, và các bộ cảm biến quang bán dẫn oxide kim loại bổ chính (CMOS). Trong số này, dụng cụ tích điện kép được dùng rộng rãi nhất cho công việc ghi ảnh và phát hiện, và do đó được sử dụng phổ biến nhất. Nguyên tắc hoạt động của nó cũng là cơ sở cho nhiệm vụ của các loại detector khác. Dụng cụ tích điện kép (CCD) là mạch tích hợp trên nền silicon gồm một ma trận, hay một dãy, dày đặc các diode quang hoạt động bằng cách chuyển hóa năng lượng ánh sáng dưới dạng photon thành điện tích. Mỗi diode quang trong dãy hoạt động theo nguyên tắc tương tự như tế bào quang điện trong, nhưng trong CCD, các
electron phát ra bởi tương tác của photon với nguyên tử silicon được lưu trữ trong một giếng thế và sau đó có thể truyền qua chip, qua thanh ghi, rồi đi ra ngoài tới bộ phận khuếch đại. Hình 7 minh họa cấu trúc của một CCD điển hình. CCD được phát minh vào cuối thập niên 1960 bởi nhà khoa học nghiên cứu tại Phòng thí nghiệm Bell, người lúc đầu mang ý tưởng về một loại mạch điện nhớ mới dùng cho máy tính. Những nghiên cứu sau đó cho thấy rằng dụng cụ đó, vì khả năng truyền điện tích của nó và phản ứng điện của nó với ánh sáng, cũng sẽ có ích cho những ứng dụng khác như xử lí tín hiệu và ghi ảnh. Niềm hi vọng ban đầu về một dụng cụ nhớ mới hoàn toàn tan biến, nhưng CCD nổi lên là một trong những ứng cử viên hàng đầu cho các detector ghi ảnh điện tử dùng cho mọi mục đích, có khả năng thay thế phim trong lĩnh vực ghi ảnh kĩ thuật số, cả cho mục đích phổ dụng lẫn trong các lĩnh vực chuyên môn như kĩ thuật chụp ảnh hiển vi kĩ thuật số. Chế tạo trên chất nền silicon giống hệt như các mạch tích hợp khác, CCD được xử lí trong một chuỗi in ảnh litô phức tạp gồm khắc acid, cấy ion, lắng màng mỏng, kim loại hóa và thụ động hóa để vạch rõ các nhiệm vụ khác nhau bên trong
dụng cụ. Chất nền silicon được pha tạp điện hình thành silicon loại p, một chất trong đó hạt mang điện chủ yếu là các lỗ trống tích điện dương. Khi một photon tử ngoại, khả kiến, hoặc hồng ngoại va chạm với một nguyên tử silicon nằm trong hoặc gần diode quang CCD, nó sẽ luôn tạo ra một electron tự do và một “lỗ trống” gây ra bởi sự vắng mặt tạm thời của electron trong mạng tinh thể silicon. Electron tự do sau đó được gom vào một giếng thế (nằm sâu bên trong silicon, trong một khu vực gọi là lớp suy vong), còn lỗ trống buộc phải rời khỏi giếng và cuối cùng bị chiếm chỗ trong chất nền silicon. Từng diode quang cách điện với các láng giềng của chúng bằng một rãnh dừng, hình thành bằng cách cho khuếch tán các ion boron qua một mặt lọc vào chất nền silicon loại p. Đặc điểm kiến trúc chủ yếu của CCD là một dãy lớn chuỗi thanh ghi lệch chế tạo có lớp polysilicon pha tạp dẫn điện xếp theo chiều thẳng đứng phân tách với chất nền bán dẫn silicon bằng một màng mỏng cách điện silicon dioxide. Sau khi electron được thu gom vào mỗi diode quang của dãy, một điện thế được áp vào lớp điện cực polysilicon (gọi là các cổng) làm thay đổi thế tĩnh điện của silion nằm bên dưới. Chất nền silicon nằm ngay dưới điện cực cổng khi đó trở thành một giếng thế có khả năng thu gom các electron phát ra cục bộ do ánh sáng tới gây ra. Các cổng lân cận giúp giam giữ electron trong giếng thế bằng cách hình thành vùng thế cao, gọi là hàng rào thế, bao quanh giếng. Bằng cách điều chỉnh hiệu điện thế đặt vào cổng polysilicon, chúng có thể có xu hướng hoặc là hình thành một giếng thế, hoặc là hàng rào thế để điện tích tích hợp được thu thập bởi diode quang. Sau khi được rọi sáng bằng photon tới trong thời kì gọi là sự tích hợp, giếng thế trong dãy diode quang CCD trở nên đầy electron tạo ra trong lớp suy vong của chất nền silicon. Điện tích trữ trong mỗi giếng phải được đọc lại theo một phương pháp có hệ thống. Những phép đo điện tích lưu trữ này được hoàn thành bằng sự kết hợp di chuyển chuỗi và song song của điện tích tích góp đến một nút ra tại rìa chíp, nơi nó kết nối với bộ khuếch đại ngoài. Tốc độ truyền điện tích song song thường đủ để hoàn thành trong thời gian tích hợp điện tích cho hình ảnh tiếp theo
. Sau khi thu gom vào giếng thế, electron dời chỗ song song, mỗi lần một hàng, bằng một tín hiệu phát ra từ đồng hồ thanh ghi dịch đứng. Đồng hồ thanh ghi dịch đứng hoạt động theo chu kì, làm thay đổi điện thế trên các điện cực xen kẽ của cổng thẳng đứng để làm di chuyển điện tích tích góp qua CCD. Sau khi đi qua dãy cổng thanh ghi dịch song song, cuối cùng điện tích chạm tới một hàng cổng đặc biệt gọi là chuỗi thanh ghi lệch. Tại đây, các gói electron biểu diễn mỗi pixel bị dịch ngang trong chuỗi, dưới sự điều khiển của đồng hồ thanh ghi dịch ngang, về phía bộ khuếch đại ngoài và ra khỏi chip. Một CCD tiêu biểu chỉ có một bộ khuếch đại đọc lại nằm ở góc của toàn bộ dãy diode quang. Trong bộ khuếch đại ra, các gói electron ghi nhận lượng điện tích tạo ra bởi các diode quang liên tiếp từ trái sang phải trong một hàng bắt đầu với hàng thứ nhất và tiếp tục cho tới hết. Điều này tạo ra một sự quét mành tương tự của điện tích quang phát từ toàn bộ dãy hai chiều của các nguyên tố cảm biến diode quang. Sự chuyển hóa năng lượng thành ánh sáng Vì độ lớn và tính rộng khắp của ánh sáng và năng lượng Mặt Trời chạm tới Trái Đất, nên sự chuyển hóa ngược lại từ các dạng năng lượng khác thành ánh sáng dường như là không quan trọng. Tuy nhiên, những bức hình chụp mới đây từ phi thuyền và vệ tinh của Trái Đất vào ban đêm cho thấy ở những khu vực dân cư đông đúc, loài người đã thành công trong việc tạo ra một lượng đáng kể ánh sáng bằng cách chuyển hóa nguồn năng lượng điện (hình 8). Những quá trình tự nhiên khác cũng xảy ra làm phát sinh ánh sáng, thường đi cùng với nhiệt. Dù cho xảy ra tự nhiên hay là có sự hỗ trợ khéo léo của con người, ánh sáng có thể phát ra từ các cơ chế chuyển hóa năng lượng cơ học, hóa học, và điện học. Hình 8 là một ảnh ghép từ hàng trăm tấm ảnh chụp Trái Đất từ vệ tinh. Ánh sáng từ các nguồn nhân tạo mô tả rõ ràng các trung tâm dân cư chính ở Bắc Mĩ và Tây Âu, như minh họa trong hình.
Tại một số thời điểm trong quá khứ xa xôi, loài người đã học được cách sử dụng lửa theo kiểu có lợi. Những ngọn lửa phát sáng có khả năng mang lại nguồn sáng nhân tạo đầu tiên, và những ngọn lửa tự nhiên này vẫn được duy trì làm tài sản quý trong thời gian dài. Nếu một ngọn lửa tắt, thì một nguồn lửa mới phải được tìm thấy bằng cách săn tìm và thu thập. Thành công sớm nhất trong việc cố ý tạo ra lửa là kết quả của việc sản sinh nhiệt và than hồng từ ma sát khi cọ các que củi vào nhau, hoặc “lóe” tia lửa điện bằng cách cọ những hòn đá hoặc khoáng vật nhất định với nhau, chúng làm bốc cháy một số chất liệu dễ bắt lửa đặt gần đó. Người La Mã đã biết cách sử dụng đuốc tẩm nhựa làm nguồn sáng di động từ hơn 2000 năm trước. Lửa không phải chỉ có ích, mà còn có ý nghĩa biểu trưng to lớn trong nhiều nền văn hóa sơ khai và trong thần thoại của họ. Bắt đầu từ truyền thống Hy Lạp cổ đại, các kì thế vận hội Olympic ngày nay vẫn giữ tinh thần “mang lửa” từ Hy Lạp tới địa điểm tổ chức sự kiện. Loài người đã sử dụng sự cháy của một số dạng nhiên liệu kết hợp với oxygen trong không khí cung cấp lửa (cũng như nhiệt) trong hàng nghìn năm trời, và một hướng tiến bộ không thể tránh được sau đó là việc tìm kiếm những cải tiến cả về chức năng và độ an toàn. Sau khi người ta biết rằng mỡ động vật và dầu thực vật cháy với ngọn lửa màu vàng chói, đã có nhu cầu lớn về những loại dầu này, và phần nhiều trong số đó được lấy từ động vật biển, ví dụ như cá voi và hải cẩu. Việc
đốt cháy dầu khó kiểm soát, và phải thêm bấc vào đèn để điều khiển tốc độ cháy và ngăn cản nguy hiểm vì ngọn lửa cháy bùng lên. Đèn dầu được biết là đã sử dụng hơn 10.000 năm. Nến là một mô phỏng của đèn dầu, cung cấp nhiên liệu ở dạng rắn, tiện lợi hơn. Những cây nến sớm nhất sử dụng mỡ động vật hoặc sáp ong, còn những cây nến hiện đại chủ yếu cấu tạo từ parafin chiết từ dầu mỏ. Sự phát triển hơn nữa trong việc sử dụng lửa mang lại ánh sáng xảy ra trong thế kỉ 19, khi những ngọn đèn khí trở nên được sử dụng rộng rãi ở các thành phố và đô thị. Diêm được sử dụng để đốt cháy các chất dễ bắt lửa khác sử dụng phản ứng hóa học để tạo ra lửa. Que diêm thường phủ hợp chất phosphore bắt lửa trong sự có mặt của oxygen khi chúng được làm nóng bằng ma sát qua việc cọ xát lên một mặt mài mòn. Cái gọi là diêm an toàn phải thắp sáng bằng cách cọ xát lên một bề mặt đặc biệt, và sẽ không bắt lửa khi vô tình cọ xát với các bề mặt khác. Hợp chất hóa học trong đầu diêm và bề mặt cọ xát kết hợp tạo ra tia lửa điện lúc đầu khởi động một phản ứng hóa học dẫn tới sự cháy của que diêm. Sự chuyển hóa năng lượng điện thành ánh sáng bắt đầu trở thành thực tế trong những năm 1800 với sự phát triển đèn hồ quang. Những đèn này hoạt động bằng cách tạo ra một dòng điện phóng qua một khe giữa hai que than, tạo ra một cung sáng chói duy trì liên tục. Mặc dù chúng có khả năng phát ra nhiều ánh sáng hơn những ngọn nến củ kĩ hoặc phương pháp đèn khí, nhưng đèn hồ quang yêu cầu duy trì liên tục và là ngọn lửa nhi ều rủi ro. Năm 1879, cả Joseph Swan ở Anh, và Thomas Edison ở Mĩ, đều chứng minh được đèn điện sử dụng dây tóc carbon nung nóng bằng dòng điện hàn kín trong bóng thủy tinh hút chân không một phần. Ví “bóng” thủy tinh của những ngọn đèn này được bơm tới trạng thái chân không một phần, và chứa rất ít oxygen, nên dây tóc sẽ không bắt lửa, nhưng sẽ rất nóng và sáng rực rỡ. Đèn điện hiện đại sử dụng ba quá trình khác nhau để tạo ra ánh sáng từ năng lượng điện cung cấp cho chúng. Đèn nóng sáng chuẩn, lấy trực tiếp từ các mẫu ban đầu của những năm 1800, ngày nay chủ yếu sử dụng dây tóc volfram trong một chất khí trơ, và phát ra ánh sáng bằng hiệu ứng điện trở làm cho dây tóc nóng lên khi có dòng điện chạy qua. Đèn huỳnh quang là loại năng lượng hiệu quả hơn phát
ra ánh sáng từ sự rọi sáng huỳnh quang của phosphor phủ ở bề mặt bên trong của ống thủy tinh. Lớp phủ phosphor bị kích thích phát huỳnh quang bằng bức xạ cực tím phát ra khi dòng điện truyền qua chất khí trong ống. Loại đèn thứ ba được dùng phổ biến là đèn hơi, chúng hợp nhất các chất khí như thủy ngân hoặc natri để phát ra ánh sáng khả kiến khi dòng điện chạy qua thể tích khí. Những đèn này có thể có áp suất cao hoặc thấp đa dạng, và phát ra ánh sáng có đặc trưng phổ phụ thuộc vào chất khí và những chất khác hợp nhất trong đèn. Có lẽ quá trình cơ bản nhất chuyển hóa năng lượng thành ánh sáng tương tự như nguồn nhiệt và ánh sáng của Mặt Trời, đó là quá trình nhiệt hạch hạt nhân. Các nhà khoa học có thể tạo ra phản ứng nhiệt hạch chỉ trong khoảng chừng nửa thế kỉ nay, nhưng những phản ứng như thế đã và đang xảy ra liên tục trong vũ trụ hàng tỉ năm nay. Nhiệt hạch là quá trình trong đó hai hạt nhân nguyên tử nhẹ va chạm nhau hình thành nên một hạt nhân nặng hơn (xem hình 9). Hạt nhân thu được có khối lượng nhỏ hơn tổng khối lượng của hai hạt nhân hợp nhân, và khối lượng bị mất chuyển hóa thành năng lượng, phù hợp với phương trình tương đương khối
lượng/năng lượng của Einstein. Phản ứng nhiệt hạch là nguồn phát năng lượng của đa số các sao, kể cả Mặt Trời của chúng ta. Như vậy, sự ấm áp của Mặt Trời và ánh sáng của nó là sản phẩm của sự nhiệt hạch hạt nhân, hình thành nên cơ sở cho tất cả sự sống trên Trái Đất. Khi mới hình thành, một ngôi sao chứa hydrogen và helium có thể được tạo ra trong vũ trụ nguyên thủy. Hạt nhân hydrogen tiếp tục va chạm, tạo nên hạt nhân helium, rồi chúng lại va chạm tạo nên những hạt nhân nặng hơn, và cứ thế, trong chuỗi phản ứng tổng hợp hạt nhân. Sự hợp nhân của các đồng vị hydrogen khác nhau thành đồng vị helium tạo ra năng lượng gấp hàng triệu lần một phản ứng hóa học thông thường. Phản ứng cơ bản này khiến Mặt Trời sẽ tiếp tục soi sáng mãi cho đến khi nguồn hydrogen gần như cạn kiệt và Mặt Trời tiến hóa thành một sao kềnh đỏ, tăng kích thước nhấn chìm Trái Đất và các hành tinh nhóm trong. Những thí nghiệm đầu tiên của con người với sự nhiệt hạch hạt nhân đưa tới sự phát triển bom khinh khí. Nghi ên cứu đang được tiến hành hiện nay có thể mang lại những ứng dụng có ích hơn cho việc sử dụng phản ứng nhiệt hạch kiểm soát được làm nguồn phát điện sạch, không đắt tiền. Những tính toán về tốc độ mà Mặt Trời sử dụng nguồn hydrogen ban đầu của nó cho thấy chúng ta có thể chỉ còn có khoảng 5 tỉ năm nữa để thừa hưởng nguồn năng lượng này và nghiên cứu sự nhiệt hạch. Hi vọng rằng khoảng thời gian này là đủ dài.