Источники и приёмники Излучения, страница 48

Поэтому кремниевые болометры можно делать более тонкими„а следоваельно, менее инерционнгями. Удельная теплоемкость кремния нрн глубоком охлаждении гораздо меньше, чем у герман»я, '>!В 1» > ий более технологнчен, так»ак менее чувствителен к загряз- неки>о и несовершенному состоя>«~по поверхносги, для ие. "„.

рботаны надежные способы за|циты поверхносги и осуществления контактов, реву В езультате токовой шум кремниевых болометрон поннж - „',. - ". Во всех ен и наблюдается в области самых низких частот. Болометры с выделенной чувствительной площадкой. полупроводикковых болометрах излучение поглощает либо чувствнгельный элемент, либо покрытие на чувствительной поверхт . В этом случае теплоемзюсть чузствятельного элемента, определяемая массой кристалла. достаточно велика Плода .,ор з- лась идея выделить приемную площадку, а полупроводникоез сто вый элемент соединись с ней н использоват» ьак термор,. и . р.

На этом принципе Н. !(,Прон, Г. Дамбиер и Дж. Леблан создали новый тип глубокоохлаждаемого боломегра с приемной площадкой из медной или бериллиевои фольги толщиной 3 мкм н диаметром 2 мм, покрытой чернью (тонким слоем феррита!. В середине перпендикулярно к площадке припаян терморезнстор из германия е ом 100к100к400 мкм. Площадка подвешена на тонких размером проВолоках с низкОЙ теплопр>>водностью и закреплена та, ч ак, чтобы прн вибрациях не возникало микрофонного эффекта в контактах и германии. Чувствительный элемент расположен в интегрирующей сфере, куда излучение поступает через линзу из кварца нли полкэтилена. При малых уровнях фона, такой болометр чувствительн ельнее, а при больших — менее инерцнонен, чем обычные. Сверхпроводящие болометры.

Такие болометры основаны н а резком изменегии сопротивления прн переходе от нормального состояния к сзерхпроводящему с уменьшением температуры до значений, близких к нулю (гельвина. Прн этом удельное сопротивление почти полностью исчезает. Счерхпроводящее н нормальное состояния являются двумя фазамл вещесгва, переходяп|ими одна в другую при ш>ределенных сочетаниях значений температуры и напряженн> сти магнитного поля. Сверхпроводимость рассматривается как сверхтекучесть электронов проводимости В веществе, которые при особом Взаимодействии друг с другом могут взаимно притягиваться и образовывать связанную мзссу.

Эта масса не может отдавать энергию малыми порциями так нак электроны при тепловых колебаниях иояон решетки не расее>ша>отея. В качестве материалов для сверхпроводящих болометров использу>от тантал„ингрид ннобия, нитрид колумбия при температуре, меньшей 14 К. В переходпом диапазоне температур >КС может достигать 60 К""(у чистых сверхпроводников переходная область !0 'К).

Сверхпроводящие болометры благодаря Высокой чувствительности перспективны длп исслсдовачий в дальней ИК-области спектра. й 7.3. Оптико-акустические приемннии излучения Принцип работы оптико-акустического приемника лзлучения (ОАП) заключается в том. что падшощий лучистый поток изменяет температуру заключенного в специальной камере газа. который 2!7 и) Е Ю й 5' Ю 7 3 У 4) га ц Рис.

тгк устройство селективиого ОАП !а) и иеселективного ОАП кои. струккии ГОИ !о) вследствие этого изменяет свой объем. Одна из стенок камеры сделана в виде тонкой и гибкой пленки †мембра. Изменяя объем, газ деформирует мембрану, и ьту деформацию можно зарегистрировать различными способами. Селективные ОАП. У селектнвного приемника излучение поглощает сам газ, поэтому спектральная чувствительность приемника определяется спектром поглощения наполнякицего газа.

Так как в газе поглощение излучения селективно, т. е. поглощается изл- У чение только тех частот, которые соответствуют частотам колебаний н вращения молекул, подобные приемники используют в качестве элементов газоанализаторов. Заполняя полость газом с нужными селектиянымп полосами поглощения, можно получить приемник, чугствительный лишь к определенным длинам волн. Постоянная времени такого приемника (рнс.

7.4, а) позволяет работать с частотами модуляции лучистого потока до 50 Гц. Измеряемый лучистый поток 1, промодулированцый диском 2, через флюоритовое окно 3 попадает в камеру 4 с газом 6. Под воздействием лучистого потока давление газа на мембран 6 м яется, создавая в микрофоне 7 электрические сигналы, усилиен а у ваемые усилителем 8 н регистрируемые на регистраторе 9. В ближней н средней ИК-областях спектра подобный приемник интереса не представляет.

так как вытесняется более чувствительными ф~тонными приемниками, поэтому применяют его в дальней ИК-области спектра. ~еселективные ОАП. Промьгшлепность выпускает в основном неселективные ОАП, предназначенные для спектральных прибо- 2!з ров, работающих в диапазоне 5 — 1000 мкм. Такой ОАГ! (рнс. 7.4, б) состоит из двух рабочих камер !9 и 20, наполненных газом. Регистрируемое излучение через окно 10 нз бромистого калия нли кристаллического кварца в зависимости от спектрального диапазона работы падает на органическую пленку !! толщиной 0,1 мкм с поглощающим излучение алюминиевым слоем. Под действием лучей пленка нагревается и нагревает газ камеры 20, который, расширяясь, деформирует пленку !! и вызывает изменение давления газа в камере 19, передающееся на органическую мембрану 13 с отражаюцгим слоем сурьмьс толщиной О,! мкм.

Деформация мембраны 13, пропорциональная измеряемому потоку Ф, преобразуется фотоэлектрическим усилителем в электрический сигнал. При отсутствии измеряемого потока Ф прозрачные, освещаемые лампой 16 через конденсор 16, штрихи верхней части растра !4 проектируются объективом и мембраной 13 на непрозрачные штрихи нижней части растра в положение 18, и световой поток не попадает в приемник !7 (ФЭУ-2). При наличии измеряемого потока мембрана изгибается и часть лучей, отразившись от нее, попадает на прозрачные участки нижней части растра 14 и зеркалом направляется на ФЭУ-2, в цепи которого появляется ток, пропорциональный потоку излучения лампы, отраженному от мембраны и прошедшему через нижнюю часть растра 14.

Этот поток пропорционален прогибу мембраны 13, определяемому измеряемым потоком Ю. Канал 12 с отводом служит для наполнения камеры 19 газом и компенсации изменения внутреннего давления при изменении температуры окружающей среды. Камеру 20 наполняют ксеноном. так как этот газ обеспечивает максимальную чувствительность на частоте 10 Гц.

!Пум, а следовательно, и пороговая чувствительность ОАП ГОИ зависят от ампли уды сигнала, так как возрастают дробовые шумы ФЭУ. При сигнале от потока 80 Ф„р шум возрастает в два, а при 250 Фи„р -- в три раза, В связи с этим ОАП ГОИ следует использовать для регистрации слабых потоков, превышающих пороговое значение в 20 — 40 раз. В настоящее время ОАП широко используют для научных исследований в среднем и дальнем инфракрасном диапазонах спектра. й 7.4. Пироэлектрнческне приемники В последние годы начали применять новый тепловой неселектнвный приемник ИК-излучения — пироэлектрический (Г!Г1И), гриемным элементом в котором служат пнроэлектрическне кристаллы титаната бария ВаТ)Ов с примесями, трпглицин сульфата ()чН,СН,ОООН)вН,50,, ниобат лития Ь1)х)ЬОв и т, д.

Особенность пироэлектрическнх кристаллов состоят в нх спонтанной !самопроизвольной) поляризации чри отсутствии внешних эаектриче. скях полей. При постоянной температуре эту поляризацию нельзя й!я фбмссд Лврлус ~ф-ь Рко. 7.6. Коестрткцкк вкроелектрачеоккх ПИ 221 220 обнаружить по наличию поверхностных зарядов, так как послед' ние компенсируются объемной и поверхностной проводимостью кристалла.

Однако спонтанная поляризация пирокристалло!2 зависит от температуры и при ее измерении на гранях кристалла, перпендикулярных к полярной оси, могут быть обнаружены заряды. В этом и состоит пироэлектрический эффект. К пироэлектрическим кристаллам принадлежат и сегнетоэлектрики (сегнетова соль и т. д.), ио они характеризуются обратимой спонтанной поляризацией. При наличии поля, большего определенного (коэрцитивиого), направление поляризации сегнетоэлектрика можно изменить на противоположное. У линейных же пиро- ' электриков никакие поля, вплоть до пробивных, не могут переполяризовать кристалл.

Для пироэлектрических кристаллов характерно наличие одного или нескольких фазовых переходов. Фазовый переход характеризуется обычно поглощением и выделением теплоты и изменением удельного объема, причем одно состояние сменяется другим. У титаната бария, например, несиолько фазовых переходов, но ' лишь один из них (при температуре Кюри) пироэлектрический. Выше 393 К кристалл титаната бария принадлежит к центросим- . метричному илассу кубической системы. При охлаждении кристалла ВаТ)О, ниже точки Кюри его куби- .

ческая кристаллическая решетка переходит в тетрагональную и он спонтанно поляризуется. Вектор спонтанной поляризации Р, направлен вдоль полярной оси. Наиболее правильно рассматривать пироэлектрический ПИ как систему с распределенными параметрамн. В зависимости от направления веитора поляризации Р, при облучении ПИ лучистым потоком различают пироэлектрические ПИ продольного и поперечного типов. Чувствительность ПИ продольного типа выше, чем поперечного. Однако, так как у приемников продольного типа больше емкость (определяется площадью электродов), чем у ПИ поперечного типа, постоянная времени ПИ поперечного типа меньше: т,р = = — 10 ' —; 1О ', т „, = 10 ' —;10 ' с.

Кроме того, ПИ поперечного типа можно изготовлять без черни на собственном поглощении, что также снижает их инерционность. При использовании золотой черни с теплоемкостью С, = 2,5 10 ' Дж!град см ' расчетная тор —— - 10 ' с. В заключение следует отметить, что пироэлектрический ток ПИ ! — сложная функция ~ризических характеристик кристалла, его геометрических размеров и условий теплообмена со средой. Значение ! зависит от двух основных факторов — среднего прироста температуры приемного элемента и скорости изменения прироста температуры.