Источники и приёмники Излучения, страница 47

7.3, б). Для того чтобы зеркальная составляющая отраженного излучения не попала на входное отверстие 6 в полусфере, чувствительный элемент должен составить с направлением падающего на него излучения угол 90 4-0. Применение зеркальной полусферы уменьшает потери излучения (оии связаны с поглощением в отражзюшем покрытии и с уходом части излучех ния через отверстия в полусфере). Из-за уменьшения тепловы потерь, связанных г тепловым изчученкем самого элемента, так как полусфера возврзшзет обратно большу1а часть собственного излучения элемента, чувствительность болометра увеличивается. Чувствите.чьиь|й элен еят (рис.

7.3, в) состоит из слоя Р (сплав висмута го сиянием), гипыленпого на нитролаковую подложку 13, покрытую сурьмянай или золотой чернью!2. Перед чувствительным элементом устин звливзют черненую диафрагму 11, зашишаюшую электроды 10 от попадания на них излучения, а позади пего— че неную заслонку 14 для поглошення излучения, прошедшего мимо чувствнтечьного элемента.

Рассмотренный болометр раба в области спектра 0,3 —.20 мкм. Коэффициент поглощения чувствительного элемента составляет 0.99б — 0.998, интегральная чувствительность такого устройства 0.3 В(Вт. Болометрам присущи тепловой, токовый и оадиацианный шумы, рассмотренные выше. У металлических боламетров преобладает тепловой шум, у полупроводниковых — токовыи. Глубокаахлаждаемые болометры. Пороговый поток идеальных тепловых ПИ определяется флуктуавчями температуры чувствительнога элемента и флуктуациями падающего на него излучения фо ф на.

Пороговый поток наиболее совершенных приемников-болоя метров, термо- и оптико-акустических элементов приближаетс к идеальному. 1'. гл б Пороговый поток тепловых ПИ существенно уменьшает прй',' лу оком охлаждении чувствительного элемента, а также прн ся ограничении углового поля н спектрального диапазона п иннмаемого излучения с помощью охлажденных диафрагм и фильтров Гл бо ' убокое охлаждение практически эффективно лишь для сверх.

проводящих и полупроводниковых болометров с достаточно большим ТКС в области низких температур, Кроме того, благодаря значительному уменьшению теплоемкости при низких темпе атур . глубокоохлаждаемые болометры обладают малой тепловой ах | ра инерцнояностью. В б ыбирая чувствительный элемент с минимальной теплоемкостью или уменьшая флукгуа|(ии его температуры, можно получить ' болометры с малой постоянной времени (до 1О "с1 или с малым пороговым потоком в единичной полосе частот (до 10 " Вт/Р (г»). Оч евидно, при улучшении одного из этих параметров другой т 'ц '-. ухугнпастся, поэтому параметры глубокоохлаждаемых болометров ' находятся в промежутке между крайними значениями.

Сверхпрояодящие болометры обладают большим ТКС в области перехода в сверхпрсводшцее состояние, малым сопротивлением и узкой температурной областью перехода. При малых постоянных времени н пороговом потоке необходима Высокая стабилизация температуры и сложная усилительная аппаратура, что затрудняет .,' эксплуатацию этих болометров. Т!Олуп!зоьодняковьш глубокоохлаждасм(|е болометры нм(ю|. болыпве чувствительность н ТК(" в широкой области низких температур.

Волометры из аморфных материалов. Первый гл1бокоохльждаемый полупроводниковый болометр, изготовгеняый В, С. Бой,|ом и Ф, Ф. Роджерсом нз сердцевинь( угольно|О резистор а представлялл Гобои плаг1(Г((у толи:,иной 0Д15 (и и п,:оп|адью 0,2 гм' Сонно. тиз»|е( яе боло(Г(тра при компасной темпср (:уре составляло 50 Ом, ТКС ьрл "'смпсрагуре 2 К иг:--: 2. Чувствительный |лемен' прикле((вали и ч(нларовои Г(ленке тоз(ш((и( н 25 мкм. наклеенной ча .-(едино осях,знпе, которое находилось в хорошем тепловом контакте с геен ьой ванной, Эта Гленна тек" рически нзолнчовала чувствительнь и э те: ( н Г сз мсдиог(з Основания и служила тепловым сп и::т|.злеп Гем. 6(е(О(я и|. шпк» мейлзроьой пленки, »южно было нчм'пп'"ь тг"'' Г(рОВОзн(ъ(пь и, сле(к(ангел( ИО, чэьг!Виггльиос*ь и посто (н(гж' яре» с (и Боломето охлаждался до»емперьтуры 2,! К, (ра(от:(.—. в спеятраш пой Гблз.", ч до чО мкы пря часто(е модулзш|сп .' 3 1, с посьяпиОЙ врем".(и |О "с и Ф::-- 1О " Вз ', * ц- .,--.: с ьч: т-мисра|3 ра (2 К1 спжс точки гоявления шумов, чч:ь.ни |х те пера»уз, ьжн флуктйэция (г Га-((ь пузырькового П( ":.к |Й схеме в ладьи(й|пем пеелазоаывали практически ь..е по., г ров(с((т((.з Вые (олоьк Г э| ( В графит (вых болометрз » ье у..агк сь д(чт(- ь и(, с Он|ГО ' 'ОЬ'.

Г(л((З". О. З К 'зоре(и С|кому, Поиски более совершенных материалов для глубокоохлаждае. мых полупроводниковых болометр: ж привели к созданию приемных элементов из стеклоуглерода, полученного высокотемпературной обоаботкой фенолформальдегидной смолы в атмосфере аргона.

Материал представляет собой стеклообразный непрозрачный монолит черного цвета. ТКС полученного материала в 100 раз больше, чем у болометров В, С. Бойла н Ф, Ф. Роджерса, Чувствительный элемент так(ьго болометоа (3х5 мы) вырезали из тонкой пластины стеклоуглерода и подп(з(ифовывали до толщины !00 мкм. К напыз(еиноыч я вакууме золотому покрытию на концах чувс~вительного элемента иидием припаивали медные токоподводы Я О,!2 мм, После напыления оставалась чувствительная площадка ЗхЗ мм. Чувствительный элемент подвс;пивали яа токоироводах В вакуумной пол(сти из лагун((.

Излччение подводили сытоводом из нержавеющей стали и !2 мм с конусом н: конце, Между конусом и световодом помещали охлаждаемый фильтр из кристаллического кварца толщиной 1,5 мм, пе пропускаю(ций излучение 3,5 — 50 мкм. На тепловом конце световода устанавливали окно нз полиэтилена с сажей или из кремния. Всю систему помещали в малогабаритный стеклянный сосуд Дьюара с гелием. Болометр чувствителен в областях 1,3 — 3,5 ыкч и 0,7 — 1,3 мм.

Монокристаллическяе полупроводниковые болометры. Проводймость полупроводникового приемника связана с температурой зависимостью Дч 4((, Д(,' — -=- е(у — -Г еи — ' (ГТ ЕТ НГ ГДЕ О И Т вЂ” ПРОВОДИЧОСГЬ И тЕМПЕРатУРа ПОЛУПРОВОДНИКа; Е— заряд электоона; ~/ — подвижность носителей заряда; ч — концентрация носителей заряда. Таким образом, проводимость меняется при изменении подвижности Влн конценгпапии носителей, поэтому монокристаллические полупроводниковые болометры делятся на электронные и обычные. Работа электронных болоиетпов основана на изменении подвижности носителей от температ; ры (болометры на егорячих» электронах), наблюдающейся в полупроводниках с малым количеством примесей и с ВысОХОЙ пг(двии(ИОстью носителей, которые слабо взаимодействуют с решеткой.

В этих золупроводни. ках состояние, близкое к состоянию геплояого равновесия, легко нарушается перераспределением энергии за счет взаимодействия с излучением. Если излучение перекрывается, например диском модулятора, то носители охлаждаются до температуры решетки. Теплоемкость этой системы состоит из удельной теплоемкости носителей заряда, а теплопроводность определяется взаимодействием носителей с решеткой, служащей массивной тепловой ванной. Электронные болометры изготавливают на основе и — 1пВЬ, они низкоомны. чувствительны в далекой ИК-области, селектнвны, обладают достаточно высокой чувствительностью или малой постоянной времени и возможностью расширять спектральную характеристику .увствительности в более коротковолновую область при помещении чувствительного элемента в магнитное поле.

Ооычиые оолометры основа~ы иа «прыжковойэ проводимости, к;>торая возникает В результате перехода носителя по прнмесному уронно от нейтрзльного атома к заряженному г>рь>жком с некоторой энсргнен активации, пропорциональной ТКС Проводимость > ее зависимость От температуры очределшотся материалом реп:егкп полупроводника, концентрацией и характером компенсирующей примеси. Обычные полупроводниковые болометры дслакж нз компенсированного германия и- н р-типа ; разным ссдсржаннем >аллия, иьдня, сурьмы, мышьяка, а также нз кремния и арсеннда галлия. Кон>гентрация примеси в германии составляет около 10" см '. При уменьшении концентрации примесей чрезмерно растет сопротивление болометра.

а при ее увеличении нарушается механизм прыжковой проводимости: примесный уровень размывается в зону, а проводимость по зояе становится металлической с ИОложительным ТКС. В кремнии концентрация примеси мол,ет быть значительно большей, чем в германии. Падаюптее на болометр излучение поглощается либо спецяальным покрытием, либо ..епосредслвепно решеткои и примесями чувств>«тельного элемента. Чап е болометры охлаждают жидким Не' до 1,2— 4,23 К, но можно использовать и Не', даю>циЙ температуру О,З К. Сообгцение о пеоном глубокоохлаждаемом германневом боло- метре было ог;ублпковапо Ф. Дж. Лоу в 196! г.

Чувствительный элемент болОыетра Вь>полнили из германия, легироВанного галлием, охла клали до 2 К, а для получения малой теплопроводности подвешивали на тонких золотых проводниках. Изготовление боло- метров нз германна, легированного галлием, показало, что их Оэ„., и»меняется от 10 "до 10 " Вт Гц — '>' в зависимости от температуры и размера чувствительного элемента, угла пол» зрения н частоты модуляции (не превышающей 36 Гц). Д..н приемников, работа.оших в коротковолновой области, чувствительный элемент юмеьхают в интегрирующую полусферу нлн сферу.

Для более глубокого охлаждения чувствительного элемента используют Не'. газообразный Не' кояденсируется в камере, охлажденной жидким Не«до 1,2 К, и температура боло- метра становит.я О,З г,". Болометры, охлаждаемые жидким Не',— самые чувствнтельяые, но нз-за сложности системы охлаждения их применяют пока только в уьикальных исследованиях. Благодаря таму что прыжковая проводимость кремния сохраняется прн больших концентрациях, коэффициент связанного с этой гроводимостшо пркмесного поглощения кремния в широкой области спектра зиа'шгельно больше, чем у германия.