Источники и приёмники Излучения, страница 46

д. с. с учетом явлений Зеебека и Пельтье (7.3) '), полупроводниковых ТЭ 30 — 50 В/Вт, постоянная времени металли- ческих 0,1 — 2 с, а полупроводниковых 0,04 — 0,1 с. Значения пороговых потоков ТЭ в заданной полосе частот лежат в пределах 1О ' — 10 " Вт по любому излучателю, так как они неселективны. Основными шумами ТЭ являются тепловой и радиа- .

ционный. Окна ТЭ делают из стекла, кварца, германия, кремния, флюо- рита, хлористого натрия или калия, слюды и т. д. Качество работы ТЭ наиболее полно определяет его КПД— отношение мощности, полученной на сопротивлении нагрузки, к мощности излучения, падающего на чувствительный элемент, т. е. т)тэ = Р/ф. Определим оптимальное сопротивление нагрузки для ТЭ, при которой на этом сопротивлении рассеивается максимальная электрическая мощность (работа с гальванометром): ир ыр)ея 1= —; У =!К а+а ) е в о+а (!~~Я ар ВТ»Р„Я)тфйя в.)- е)' )ее».-)' )е ).

е.)' ' где Ур — рабочее напряжение ТЭ; У, — напряжение сигнала на сопротивлении нагрузки. Найдем вначение )«, при котором Р = Р З~фз Я+йв)' — 2Ж+йв)йв 0. р ).) В не а (о + )»в)в ' в Тогда можно знать сопротивление и КПД »)тФ» о)тФ Ре)еа — ) з)тэ 4»с амк 4Я Обычно значение з)тэ не превосходит долей процентов для ' металлов и нескольких процентов для полупроводников, Малое собственное сопротивление ТЭ вынуждает делать усчлнтели с трансформаторным входом, что сильно их усложняет.

Кроме того, ТЭ имеют сложную конструкцию и большую инерционность., Это служит препятствием для их широкого применения. На рис. 7.2 приведены спектральные характеристики ТЭ типа ПРТЭ-1. ' В ряде приборов требуются ПИ с большой площадью чувствительного элемента. Из-за конструктивных трудностей и невозможности создать большой ПИ была создана (группированием малых площадок) круговая термоэлектрическая система с единой большой площадью, распределенной между спаями, н разработана теория для расчета ее основных параметров. В радиационных ТЭ облучается одна нз приемных площадок, находящихся в хорошем тепловом контакте (не электрическом) с «горячими» спаями системы термопар, а вторая площадка, располагаемая обычно позади 208 О) Вт.ц„в/'и т то Д 5/Д),В/Вт О! — ' д рч ))О Л.,мям В д,мям Рнс.

7,2. Спектральная чувствительность зермозлементов т)Р"Э.! с сурьмяной (о) ь золотой черные (б) для различнык образцов: 1 3 рееаые тееяея ен ееготоелееня первой и находящаяся в контакте с «холоднымь» спаямн, служит для рассеивания тепла, притекающего к ней по термопарам. Изготавливать раднационные ТЭ с размером чувствительного элемента более 1 см' н достаточной чувствительностью сложно.

Создание термобатарей нз большого числа последовательно соедн- НЕННЫХ ТЕР)ЛОНЗВ ПОЗЬ!1ПЗЕТ ЧУЗСТВИТЕЛЬНОСТвм НО СННЖЗЕТ Налаж. ность ПИ, а также вызывает большие технологические трудности. Применение аннзотропных ТЭ для радиационных ТЗ с большой площадкой повышает !)здежность н упрощает технологию изготовления. Анизотропный ТЭ нзготаьлива!от нз пластинки одного термоэлектрически аннзотоопного монокрнсталла. Градиент температуры должен с)задаваться под углом 45' к одной из крнсталлографнческих осей, относнтельно которой наблюдается нанбо.)ьшая анизотропня термо-э. д.

с. Возникающая (поперечнан относительно градиента температуры) э. д. с. прн линейном распределении температуры ! а ЛУ .=- — (ат! — аг ) (Т вЂ” Тв)— 2 Ь ' где ат«и ать — козфрнцненты термо-э. д. с. по направлениям, параллельному н перпендикулярному данному крнсталлографнческому направлению; (Т вЂ” Т,) — равность температур; а— длина пластинки; () — высота пластинки в направлении приложенного градиента температ/ры. Как видно нз формулы, в аннзотропном ТЭ э.

д. с. определяется отношением а/(). Аннзотропные ТЭ обладают большей чувствительностью, чем обычные термопары, и более стабильны и надежны в работе. На рнс. 7.3, а показана конструкция одной приемной аннзотропной ячейки. Трн и более таких последовательно включенных элементов-ячеек могут объединяться в блок. Чувствнтельнь.й элемент анизотропного ТЭ изготавливают нз медной фольги 2 толщиной около 0,02 мм, покрытой камфорной чернью 1, а аннзотропиый ьлемент выполнен у данного ТЗ нз мэьоирнсталля в г, г. и 2оэ и)/2 3 4 + я / а 4 рис.

7.3. у ";рой тяо чуастннтеланой ячейки аннзотрссного тсрчоэлемента !а), бсломету а ллн абсолчлных изчерений (б) и его чуастнигеланого элемента (а) сурьмянистого кадмия 5, приклеенного хорошо отводящим тепле слоем 3 на массу 4. В последние годы разработаны ГЭ на основе экструзировапных полупроводниковых материалов (ТЭ конструкции Шварца) Полупроволниковые штыри таких ТЭ инчотавливают из экструзнронанных материалов с малым сечением. Для отрицательной ветви ТЭ используют тэердый раствор ВаеТ1, и В!эЗЬа, для положитетьной-- твердый раствор В(аТ1, и ВЬэТ1э. $ 7.2.

Боломегры Принцип действия болометра основан иа изменении электрического сопротивления полупроводника илн металла под действием падаюпйего на него лучистого потока при изменении его температуры. Чувствительный слой болометра выполняют обычно в виде металлической или полупроводниковой пленки, представлшощей собоч термосопрогивлеиие. Конструктивно ч~ше всего болометр содержит два тсрмочувствительных сопротивлении, одно из которых облучается лучистым потоком, а второе — компенсационное — компенсирует изменение температуры внешней среды.

Простейшим болометром может служить металлическая лента, температура и сопротивление которой при облучении лучистым потоком меняются: /7 = /че 11 + ссг (Т вЂ” Т,) ), где /7а — сопротивление проводника при температуре Т,; сст— температурный коэффициент сопротивл. ния. Изменение сопротивления составит ЛЯ Лепт ЛТ (7 5) откуда относительное изменение сопротивления б/1,'Я =- ест йТ.

2!О Температурный коэффициент сопротивления (ТКС) для металлов обратно пропорционален температуре в широком диапазоне температур: ат = 1/Т. Для комнатной температуры (300 К) ест = 1/300 = 0,0033 град '. Сопротивление полупроводников Й в некотором ограниченном диапазоне температур изменяется по экспоненциальному закону: в в /7 = )7ае (7,6) /в в) т —.= г,р1 " '/( — —,', ) /йт, 17.7) где /са — сопротивление полупроводника при Т,; В = 3000 К; ЛЯ вЂ” изменение сопротивления полупроводника при изменении его температуры на ЛТ.

Поделив уравнение (7.7) на (7.6), получим — ж — = — — бТ = сстп стТ О М В Й тчэ 2' (7.8) так как /7 незначительно отличается от /7а. Для большинства полупроводников атп —— †30(Тэ. Таким образом, у полупроводников ТКС отрицателен, а его абсолютное значение больше, чем у металлов. При комнатной температуре (300 К) ТКС полупроводника сстп — — †30/300' ж ж — 0,033 град ', т. е. на порядок больше, чем у металлов. Поэтому полупроводниковые болометры обладают большей чувствительностью, чем металлические. Схемы включения болометров аналогичны схемам включения ФР (см.

рис, 4.5). Поток излучения, регистрируемый болометрами, обычно модулируется, так как постоянная времени болометров намного меньше, чем у ТЭ. Это позволяет использовать усилители переменного тока. Определим абсслютпое значение приращения сигнала яа нагрузке )с„прн облучении болометра по схеме его включения, аналогичной схеме включения ФР (см. рис. 4.5, и). Ток в цепи болометра — 1 и/(/7 + )7н) (7.9) где (/„-- напряжение питания. Пря облучении болометра потоком излучения Мч изменятся его сопротивление и, слейиательно, ток в цепи Продифференцировав выражение (7 9), получим приращение тока б/ =- --т/„/уК()с, + Р„)а.

Преобразуем, учитывая, что М?~/с == ест ЛТ, ич выражения /7.8): Ки д/Ы /'. Л(/.=- Л'/7 =: — Р .с„.5Т вЂ” —. а =' и'т По аналогии с предыдущим можно найти значение сопротивления нагрузки при работе болометра с усилителем чля максимальной интегральной вольтовой чувствительности, которая возможна при Й = Я. При работе болометра с гальванической системой регистрации Рн выбирают исходя из максимальной рассеиваемой на Я„электрической мошности ЛР, ЛР =- Л1Л)т = (тнмьЛТ' Продифференцнруем полученное выражение )тт и, 7 у (Р + Йн)" нн4 (Я + Рн) ~~нн (и + йн) откуда сопротивление нагрузки при ЛР,„ Р+ й„— 4й„= 0; й„=- Я13 При мостовой схеме включения мост предварительно баланси-.

руют: йЯз, = Ртов,. Облучение вызывает разбалансировку моста и появление сигнала иа сопротивлении й„. Одновременное изменение Йв, и 1(з, из-за колебаний внешней температуры не нарушает разбалансировку моста. Мост питается переменным (от сотен до тысяч гери) или постоянным напряжением. При питании переменным нзпря,кением сигнал усиливается на частоте питающего напряжения, а затем, после детектирования, — на частоте модуляции.

Основные параметаы болометров — интегральная чувствительность, постоянная времени и пороговый и 1ток. При работе боло- метра с усилителем максимальная интегральная вольтовая чувствительность при 1г = Й ам == 'ко -- мт ЛТ~'ин(4©). Из уравнения состояния чувствительного слоя болометра Са (ЛТ)1а1+ ат ЛТ =- Ф, где С вЂ” теплоемкость чувствительного слоя, Дж1град. В установившемся режиме при с) (ЛТ)101= 0 получим = мт'ат. Следовательно, окончательно вольтовая интегралы.ая чувствительность нт 5т = — — )тн.

4 нт Коэффициент ат включает в себя температурное излучение чувствительного слоя и составляющую теплоправодности подводящих проводов. Уменьшают ат при помощи вакуумирования (уменьшаются потери яа нагрев окружающего воздуха) и за счет тонких соединительных проводов с малой теплопроводностью. Инерционность болометаа определяется временем нагрева и охлаждения чувствительного слоя модулированными излучениями: 5„(~) = Ят,()т'1 оп (2п(г)', где Бт, — интегральная чувствительность болометра при отсутствии модуляции лучистого потока; т — постоянная времени, т = С)ат. и' В качестве материалов для металлических болометров используют платину, никель, золота.

для полупроводниковых — сплавы окислов никеля, кобальта. марганца. Металлические болометры часто подсоединяют через трансформаторный вход, так как у них очень малое собственное сопротивление. На рис. 7.3, б показано устройство болометра для абсолютных измерений оптического излучения, а на рис. 7.3, в — его приемного элемента.

Поток излучения, падающий на чувствительный элемент болометра, поглошается не полностью, часть его отражается. Потери на отражение можно снизить, помещая чувствительный элемент в центр зеркальной полусферы. Поэтому центр чувствительного элемента 8 болометра должен быть совмещен с центром полусферы 7 (рис.