Источники и приёмники Излучения (1059978), страница 50
Текст из файла (страница 50)
Температуру стержич измеряют хромель-копелевой термобатареей. У Т1(И-14 и ТПИ-10 приемный стержень из«отавливают из алюминия с поглошающим покрытием на облучаемом горце. калориметров типа ТПИ оболочку активно охлаждают водой. Для измерения энергии н средней мощности излучения исш>льзуюг также изотермические кзлориметры, основанные на эффекте фазового перехода вещества, называемые радиационными ка грачи постоянной температуры. Принцип действия таких калориметров состоиг в измерении количества калориметрического вещества, перешедшего под действием поглощенной энергии излучения в другую фазу: твердое тело — в жидкость и жидкость— в' пар. Подооиые калориметры работают в диапазоне 3 — 300 Дж хорошей воспроизводимостью.
$ 7,0 Приемники на основе термоупругого эффекта в кристаллическом кварце 1 риемники на основе термоупругого эффекта в кригталличе- П ском кварце (ПТЗК) разработаны в Ленинградском институте точной механики и оптики на кафедре оптико-электронных приборов. Кристаллический кварц не является пироэлектриком, и механи м появления иа нем электрической разности потенциалов при облучении модулированным или импульсным лучистым потоком имен« другую физическую основу — термоупругий эффект, что было впервые доказано в работах Г. Г.
Ишаиина, на основе которых был создан измеритель «Кварц-1». Дальнейшие теоретические и экспериментальные работы в этом направлении Г. Г. Ишаиииа и ! . В. Полыцикова привели к созданию серии измерителей на основе ПТЗК различного назначения; «Кварц-2», «Кварц-2М», «Кварц-2А», ИМИ-100, дифференциальных и мозаичных приемников (см табл. 7.1). Разработанные ПТЭК стабильны в работе и могут использоваться как образцовые для паспортизации мощных источников излучения и лазеров. Спектральный диапазон их раооты — 0,4 — 20 мкм, динамический диапазон при непрерывном модулированном потоке излучения — от 10 мкВт1см' до 300 Вт/см», постоянная времени — до 10 ' с. В качестве приемного элемента в ПТЗК используют кристаллический кварц.
Он стабилен в работе: не меняет свои свойства »»6 с течением времени, не подвержен влиянию электрических и магнитных полей. Принцип действия и устройство ПТЭК. Чувствительный элемент, состоит из тонкой (0,1 мм) пластинки кристаллического кварца Х-среза, приклеенной к теплоотводящему демпферу.
На переднюю поверхность кварцевой пластинки наносят токо- проводящее покрытие и покрытие, поглощающее излучения в широком спектральном интервале. С электрической точки зрения подобная система представляет собой конденсатор, в котором диэлектриком является пластинка кристаллического кварца, а обкладками — металлический демпфер и токопроводящее покрытие. Если такая система находится в механическом и тепловом равновесии, то напряжение на этом конденсаторе равно нулю. При облучении приемной площадки импульсным, импульсномодулироваиным или другим нестационарным лучистым потоком в приемном элементе возникает сложное нестационарное тепловое поле.
Процесс преобразования падающего лучистого потока Ф (!) в энергию теплового поля определяется материалом и структурой поглощающего покрытия. От него зависит спектральная характеристика приемника, Нестационарное во времени и пространстве тепловое поле вызовет в кристаллическом кварце нестационарные механические напряжения, которые приведут к изменению вектора поляризации кристаллического кварца и, как следствие, — к появлению электрической разности потенциалов на электродах. Наличие нескольких последовательных преобразований энергии, безусловно, снижает чувствительность приемника. Но необходимо отметить, что они происходят в кристаллическом кварце — материале, характеризующемся хорошей стабильностью физических свойств в широком динамическом диапазоне, Это обусловливает стабильность и линейность характеристик ПТЗК.
Время релаксации электрона в материалах, используемых для поглощения падающе«о лучистого потока, составляет порядка 10»м с и, следовательно, не ухудшает частотных свойств ПТЭК. Постоянная времени кристаллического кваоца как электромеханического преобразователя составляет 10- ' — 10»м с. Наиболее инерционен процесс распространения тепловой энергии от поглощающего покрытия через электрод до кварцевой пластинки с последующим отводом ее в теплоотводящий демпфер. Эти процессы и определяют постоянные времени приемника т„,„и т«, Как показали исследования, разность потенциалов на приемнике возникает в основном из-за терчоупругих механических напряжений, направленных вдоль оси У'. Механические напряжения вдоль оптической оси т разности потенциалов не вызывают из-за особенностей строения кристаллической решетки кварца.
Однако на сигнал, возникающий на приемном элементе, влияют и другие явления, которые при определенных условиях могут стать суще- «»7 ственными, например, вторичный термоупругий эффект сложной структуры, возникающий тоже вдоль оси У из-за разницы коэффи. циентов линейного расширения токопроводящего покрытия и кварца и из-за разницы коэффициентов линейного расширения кварца и материала демпфера.
В реальных условиях этот эффект второго порядка малости, он скажется на высоких частотах, когда переменная составляющая неравновесного температурного поля сосредоточится в толщине приемного электрода и основной сигнал упадет на несколько порядков. При паботе с короткими и мощными импульсами могут возникнуть динамический продольный термоупругий эффект вдоль осн Х, радиометрнческий эффект, электрострикция и нелинейная поляризация, а также световое давление. Эти эффекты много меньше термоупругого и их можно не учитывать.
Емкостная характеристика приемника на основе термоупругого эффекта в кристаллическом кварце полностью исключает возможность работы с постоянными потоками излучения, что также влияет и на частотную характеристику приемника. Так как появление разности потенциалов в пьезопластинке зависит от направления действия сил относительно осей Х, 1', 2 нристалла, необходимо оптимальным образом выбирать ориентацию (срез) приемного элемента в соответствии с физическими свойствами кристаллического кварца. Чтобы понять возникновение разности потенциалов на электродах приемного элемента при его облучении и правильно выбрать тип среза, рассмотрим явления, возникающие в кварце при его деформации.
В первом приближении можно представить атомы кремния и кислорода кварца 510, расположенными в шестигранных ячейках. Если для упрощения каждую пару атомов кислорода, расположенную над атомами кремния или под ними, рассматривать как один атом кислорода с четырьмя зарядами, то получим ячейку. Если сжать такую ячейку в направлении полярной оси, то атом кремния вклинится между атомами кислорода, атом кислорода— между атомами кремния. Вследствие этого на поверхности появится отрицательный, а на противоположной — положительный заряды. Это явление называют п р о д о л ь н ы м п ь е з оэлектрическим эффектом.
Если деформировать ячейку в направлении, перпендикулярном к оси Х, атомы кремния и атомы кислорода сместятся внутрь на одинаковое расстояние, и на электродах заряды не появятся, а на концах полярной оси Х вновь возникнут заряды, однако со знаками, противоположными бывшим ранее, так как атомы кремния и атомы кислорода смещены наружу. В этом случае говорят о поперечном пьезоэффекте. При замене сжатия растяжением знаки зарядов меняются на обратные. При механическом воздействии в направлении оси Я несимметричное смещение несущих заряды частиц отсутствует вовсе 228 Су диод/ =- ь д'и/дх', дп/д/ ==- адьо/дх', (7.10) где о = и (х, /) — нестационарное одномерное тепловое поле полу- пространства; / — время, с; х — координата; С вЂ” удельная теплоемкость, Дж/(г град); у — плотность, г/см'; ь — коэффициент теплопроводности, Г(ж/(см с.
град); и = ),/(сх) — коэффициент температуропроводчости, смз/с. 229 Максимальные электрические заряды возникают при механическом воздействии на концах полярной оси, поэтому необходимо вырезать пластинку для приемника на термоупругом "ффекте так, чтобы пара плоскостей была перпендикулярна к полярной оси, а ребро — параллельно полярной оси Х. Это пластинка с так называемым Х-срезом. Такая пластинка обладает следующими свойствами: при сжатии в направлении Х на обеих нормальных к ней поверхностях возникают соответственно положительный и отрицательный электрические заряды (прямой продольный пьезоэффект); при растяжении в направлении оси У на поверхностях возникают заряды тех же знаков (прямой поперечный пьезоэффект); этот эффект и вносит основной вклад в появление разности потенциалов в приемнике; пр астяжении в первом случае и сжатии во втором заряды на поверхности меняют свои знаки на обратные; сжатие и растяжение по оси 2 не вызывают пьезоэлектрического эффекта.
Линейность амплитудной характеристики термоупругого элемента в значигельной степени зависит от постоянства его пьезокоэффициептов (йп, й„и т. д.). Кварц и этом отношении сохраняет значение пьезокоэффициента Йм с погрешнос. ю д ть о 0,1% вплоть до давлений 0,035 Па. При понижении температуры от комнатной до —.192 'С й„изменяется не более чем на 2%. При температурах выше комнатной Й„остается почти постоянным до 200 "С, а затем постепенно уменьшается, обращаясь в нуль п и Т = 579'С.
При понижении температуры он вновь появляется при 7' = 575 С. Пьезомодули кварца равны: 4,— = 6,9 х х 10-' см'" г-ц' с. Н„= — 2 10-' смц'г-ц'с. Чувствительность и частотные свойства ПТЭК при гармоническом воздействии лучистого потока. В рассматриваемом случае предполагают, что иа приемник, представляющий собой однородное полупространство, падает синусоидально-модулированный неограниченный и равномерный поток излучения. -читаем, что теплофизические характеристики кварца не меняются, а приемй лектрод пренебрежимо мало влияет на частотные свойства ный эл тр го элекприемника. Это вполне справедливо для толщин приемного трода, ие больших О,! мкм. П и использовании перечисленных допущений дифференциальное уравнение теплопроводиости для неограниченного по у рри странства примет вид и будет одномерным: (7.17) (7.18) (7.1 3) 1/' = 2 р' па11/2 = 2 !в ага„Е.
23! а Для решения уравнения теплопроводности необходимо исполь- а'. зовать граничные условия второго рода, т, е. задается тепловой::, поток через любую точку поверхности тела: входящий тепловой поток — через облученность Е и коэффициент поглощения Ап, а выходящий — через среднюю мощность излучения, Ввиду емко- стного характера приемника интересна только нестационарная составляющая теплового поля; при задании граничных условий для уравнения (7.10) [о (О, Г) = о „сов агГ'1 она равна о(х, Г) =- ола, гов(2п/à — гх пЕ/а„х)е- гхлгга*" (7,1!) где а„— коэффициент температуропроводности кристаллического кварца в направлении, перпендикулярном к оптической оси Е, см'/с; Š— частота модуляции лучистого потока. Рц, Из теории теплопроводности известно, что прн одномерном поле связь между удельным тепловым потоком г/ и температурой на поверхности при гармоническом воздействии будет ГЕ = 4л1ах СОВ (2ПЕГ). (7.12) Такое представление правомерно, так как приемник не реагирует на постоянную составляющую теплового гола, а модулятор лучистого гготока преобразует стационарный поток в нестационарный со сложным спектром отдельных гармонических составляюгцих.
Так как коэффициент преобразования и спектр зависят от конкретного типа модулятора, то целесообразно рассматривать отдельную гармоническую составляющую потока излучения. Удельный тепловой гюток 1/ (в Вт/см') связан с облученностью Е через коэффициент поглощения й„: 1хаааах =- Еааахьп. Выражение (7,12) с учетом (7.!3) будет 4пЕеах сов (2л/г).
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
