Формозов Б.Н. Аэрокосмические фотоприемные устройства в видимом и инфракрасном диапазонах. Ч.1 (2002)

ÌÈÍÈÑÒÅÐÑÒÂÎ ÎÁÐÀÇÎÂÀÍÈß ÐÎÑÑÈÉÑÊÎÉ ÔÅÄÅÐÀÖÈÈÑàíêò-Ïåòåðáóðãñêèéãîñóäàðñòâåííûé óíèâåðñèòåò àýðîêîñìè÷åñêîãî ïðèáîðîñòðîåíèÿБ. Н. ФормозовАЭРОКОСМИЧЕСКИЕ ФОТОПРИЕМНЫЕУСТРОЙСТВА В ВИДИМОМИ ИНФРАКРАСНОМ ДИАПАЗОНАХУчебное пособиеСанкт-Петербург2002УДК 629.78.05:621.384.3(075)ББК 32.854Ф80Формозов Б.

Н.Ф80 Аэрокосмические фотоприемные устройства в видимом иинфракрасном диапазонах: Учеб. пособие / СПбГУАП. СПб., 2002. 120 с.: ил.Изложены основы экспериментальной техники низких температур при исследовании охлаждаемых ПИ, а также методы и способы создания криостатированных фотоприемных устройств на основе ПИ для наземной и внеатмосфернойастрономии, космических исследований, ракетной техники и космических аппаратов для дистанционного зондирования Земли в инфракрасном диапазоне.Предназначено для студентов технических университетов, а также научных работников и инженеров, специализирующихся в области аэрокосмическойэлектроники.Рецензенты:ГУП НПП "ЭЛЕКТРОН-ОПТРОНИК";доктор физико-математических наук профессор В. Г.

ИвановÓòâåðæäåíîðåäàêöèîííî-èçäàòåëüñêèì ñîâåòîì óíèâåðñèòåòàâ êà÷åñòâå ó÷åáíîãî ïîñîáèÿУчебное изданиеФормозов Борис НиколаевичАЭРОКОСМИЧЕСКИЕ ФОТОПРИЕМНЫЕУСТРОЙСТВА В ВИДИМОМИ ИНФРАКРАСНОМ ДИАПАЗОНАХУчебное пособиеРедактор А. В. СеменчукКомпьютерная верстка Н. С. СтепановойСдано в набор 10.06.02. Подписано к печати 16.08.02 Формат 60×84 1/16. Бумага тип.

№3. Печать офсетная. Усл. печ. л. 6,97. Усл. кр.-отт. 7,62. Уч. -изд. л.5,78. Тираж 150 экз. Заказ №Редакционно-издательский отделОтдел электронных публикаций и библиографии библиотекиОтдел оперативной полиграфииСПбГУАП190000, Санкт-Петербург, ул. Б. Морская, 67© СПбГУАП, 2002© Б. Н. Формозов, 20022СПИСОК УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙАЧТБАУБИСБТАВКУВПГИСГКМГМОГРШДРСЕРПЗЖРДЗУИРПЗКАКРТКСОМБРМКСМФРМФСОСПЗСПИППЗРДРСОСАХСБСБИС– абсолютно черное тело– березовый активированный уголь– большие интегральные схемы– большой телескоп азимутальный– видеоконтрольное устройство– военная приемка– гибридные интегральные схемы– газовые криогенные машины– германий монокристаллический для оптоэлектроники– генерационно-рекомбинационный шум– дроссельные рефрижеративные системы– естественный радиоактивный пояс Земли– жидкостный реактивный двигатель– запоминающее устройство– искусственный радиоактивный пояс Земли– космический аппарат– космический радиационный теплообменник– космическая система охлаждения– межконтинентальная баллистическая ракета– микрокриогенная система– мозаичная фокальная решетка– международная фотометрическая система– оптическая система– прибор с зарядной связью– приемник излучения– прибор с переносом заряда– реактивный двигатель– радиационная система охлаждения– сублимационный аккумулятор холода– солнечная батарея– сверхбольшая интегральная система3СКИ – солнечное корпускулярное излучениеСПРН – система предупреждения о ракетном нападенииТВС– телевизионная системаТВУ– телевизионная узкоугольная камераТДН– телевизионный датчик наведенияТРД– турбореактивный двигательТТФЭП – твердотельный фотоэлектрический телевизионный преобразовательТЭБ– термоэлектрическая батареяТЭО– термоэлектрический охладительФПД – фотоприемный датчикФПЗС – фотоприемный прибор с зарядовой связьюФППЗ – фотоприемный прибор с переносом зарядаФПУ – фотоприемное устройствоЭВТИ – экранно-вакумная теплоизоляцияNEP– мощность, эквивалентная шуму4ПРЕДИСЛОВИЕВ современной литературе имеется много статетей, обзоров и монографий по вопросам построения фотоприемных устройств и целых оптико-электронных систем для авиации, космоса, наземной и внеатмосферной астрономии как в видимой, так и и в инфракрасной областях спектра.Однако большая часть этих изданий посвящена либо физике работысамих фотоприемников, либо методам формирования и обработки видеосигналов изображения.

Как правило, эти издания громоздки и не содержат конкретного материала по созданию фотоприемных устройствкак законченного электронного прибора, содержащего фотоприемник,криостатирующее устройство и охладитель. Кроме того, многие из нихтруднодоступны.Целью настоящего учебного пособия является изложение материала по построению фотоприемных устройств авиационного и космического базирования как комплекса: оптическая система – фотоприемныйдатчик – криостатирующее устройство – система охлаждения.51.

ВИДИМОЕ И ИНФРАКРАСНОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ.ОСНОВНЫЕ TEPMИНЫ И ОПРЕДЕЛЕНИЯВ повседневной жизни люди часто сталкиваются с самыми различными излучениями. Солнечный свет, теплота, радиоволны или рентгеновское излучение при своих различиях глубоко связаны по природе –все они представляют собой электромагнитное излучение. Распространяются они со скоростью света, для всех имеет место отражение, преломление, дифракция и поляризация.Существует масса приемных устройств, которые способны воспринимать эти виды излучений. Здесь будем рассматривать только те видыприемников и приемных устройств, которые представляют собой большие интегральные схемы (БИС) или целые гибридные интегральныесборки (ГИС), содержащие несколько БИС, элементы соединений, обработки и формирования электрического сигнала.Кроме того, из всего многообразия таких устройств будем рассматривать только те приборы и устройства, которые обеспечивают необходимые параметры технической характеристики только при глубокомохлаждении – от температур 220–240 К до криогенных температур (ниже120 К), т.

е. 30–80 К. Это обусловлено, во-первых, тем, что все онипредназначены для обнаружения и формирования изображений от слабых источников излучения при большой дальности. Указанные приемники предназначены для:– тепловых головок самонаведения ракет и навигационных системкрылатых ракет;– систем типа FLIR (Forward Looking Infrared) самолетов;– систем обнаружения стартов межконтинентальных баллистических ракет (МБР) и их разделяющихся частей;Во-вторых, аэрокосмическое базирование этих систем предъявляетповышенные требования к ним по стойкости к внешним воздействиям:механическим, климатическим и специальным (это – факторы ядерного взрыва, 9 СКИ (солнечных корпускулярных излучений), электроны ипротоны ЕРПЗ и ИРПЗ – естественных и искусственных радиоактив6ных поясов Земли.

Правда, созданный американцами ИРПЗ (13–14 тыс. км)уже в основном рассеялся.Длина волны и частота электромагнитного излучения связанысоотношениемλυ = c ,(1.1)где λ – длина волны, мкм; υ – частота, Гц; c – скорость света,3·10 10 см·с –1.Из всего электромагнитного спектра от 0,1 АО (гамма-лучи) до100 км (звуковые частоты) рассмотрим лишь область длин волн, представленную на рис. 1.1.0,40,6Видимоеизлучение1,0 2,03,0БлижняяИК-область4,0 5,0 6,0 8,0 10,0 12,0 14,0СредняяИК-областьДальнаяИК-областьДлина волны, мкмРис. 1.1Независимо от того, приемники видимого или инфракрасного диапазонов рассматриваются, все параметры представлены в энергетических величинах для точечных источников (табл. 1.1).Òàáëèöà 1.1Ýíåðãåòè÷åñêèå âåëè÷èíûОбозначениеUuPWJНаименованиеОпределениеЭнергия излучения Энергия, переносимая электромагнитными волнамиПлотность энергии Энергия излучения на единицуизлученияобъемаЛучистый потокСкорость передачи энергииизлученияПлотность излуче- Число фотонов, испускаемыхнияв секунду с единицы площадиСила излученияЛучистый поток в единичномтелесном углеРазмерностьДжДж·см–3Втфотон·с–1·см–2Вт·стер–17Продолжение табл.

1.1ОбозначениеNEεαρτНаименованиеОпределениеРазмерностьЛучистость (энерге- Лучистый поток в единичномВт·см–2·стер–1тическая яркость)телесном угле с единицыОблученностьЛучистый поток, падающийВт·см–2на единицу площади–Коэффициент излу- Отношение плотности излучениячения (излучатель- источника к плотности излученияАЧТ при той же температуреная способность,интегральнаястепень черноты)Коэффициент погло- Отношение поглощенного лучис–щения (поглощатель- того потока к падающему лучисная способность)тому потокуКоэффициент отра- Отношение отраженного лучис–жениятого потока к падающемуКоэффициент про- Отношение пропущенного лучис–пусканиятого потока к падающемуНа самом деле понятие точечного источника излучения – идеальное.