Справочник по электротехническим материалам. Под ред. Ю.В.Корицкого и др. Том 3 (3-е изд., 1988) (1152098), страница 169
Текст из файла (страница 169)
Усилие нажатия на каавишу преобразуется на выходе в импульсный электрический сигнал от изменения заряда, инауцируемаго на электроде, движущемся в электрическом поле элсктрета. Конструкции клавиши включает в себя два электрола н электрет, который расположен между электродами, Один из электродов может перемещаться относительно электрета. Прн его быстром перемещении (для чего обычно используют пороговое устройства) в электростатическом поле электрета на сопротивлении нагрузки, подкпюченном к злеитродам, формируется импульсный сигнал.
Для анализа работы преобразователя используется модель, показанная на рис. 24.15. Считается, что заряд электрета сосредоточен иа его поверхности. Поверхностные плотности заряда на противоположных поверхностях электрета равны а4 и аз соответственно, причем [а4[=[аз) Функция перемещения электрода йз(т) задается следующим образом: 4(з(т) = 4(зо — 4(т. 0~ (т(тз, (24.20! 4(з (т) =О, т ) тз, (24.2!) ГДЕ 4(Ш вЂ” НаЧадьный зазор; а — скорость движения электрода. На первом этапе движения электрода при 0~<тзСтз происходит формирование фронта импульса, на втором прн т) ) т4 — формирование среза импульса из-за разряда емкостей электродов и нагрузки.
При движении электрода в электрическом поле электрета на электродах индуцнруются заряды, что ведет к появлению на нагрузке импульсного сигнала: (7" (т) =злй = К вЂ” зс)й„(24.22) ГДЕ 4 — СУММаРНЫй тОК В ЦЕПИ; за à — тОК ЧЕРЕЗ емкость нагрузки. Суммарный ток в цепи определяется изменением заряда на электродах: 4(а, 4(Ез — = -- 5ьовз —, (24.23) 4(т 4(т где 5 -- площадь электрода; аг —. поверхностная плотность заряда, индуцируемого на электроде; щ — относительная диэлектрическая проницаемость среды (воздука) в зазоре.
Из выражений (24.2!) и (24.22! следует: (7, (т) = [ — 5сооз — С„у йз (24.24) г(Ез 4((7,1 бг " 4(т Напряженность поля Ез в зазоре можно определить нз системы уравнений, составленной на основе теоремы Гаусса и закона Кирхгафа: цЕз СЗС4 4(т соотг), + зоз4 (4(з + 4(4 + г(зо — ат) + 4(гз, а с ((7лозо — а а,) [сзезА + аозз (4(2+4(4+ 4(зо — ат)) ' (24.25) Введя обозначения х == соотг(4+ ызе4(г(з+ г(4 + г(зо — ат); (24. 25) О, х 5еооз — —;и ==- —,(24 27) 0' = аеосзй.С. ' ай.г.. ' гДе ()=аз(зуеооз — повеРхностный потенЦиел электрета, получают уравнение, позволяющее описать характеристики электретного клавишного устройства: 4(Р" (' и г ') и бх т 2 (х — и) х — их 2(х — и) (24.28) Начальное условяе лля (24.28): .'о[а=хо=О, где го 2[4=о (24хз! Уравнение (24.28) интегрируется в квад.
ратуре при целых отрицательных значениях и. При этом ихо ' 'т' =, ехр ( — го) Х (х — и) '' .-л — 2 — л — 2 — 4 Х1 Е Сз —. ( — )' Е А'-.— —. Х =о з=о и —. Л вЂ” З вЂ” 4 — * Ххо хо -' г — л — 2 — ехр ( — х) [ С С' .( — и)4Х =с Требования к активным материалам В 25-1| )4 й Ал, т з" ''".— )), а.е. В б где С,=; А," т)(! — т)! ' (! — т)! 04 0,2 0 2 4 5 8 ал РАЗДЕЛ 25 АКТИВНЪ|Е МАТЕРИАЛЫ ТВЕРДОТЕЛЬНЪ|Х ЛАЗЕРОВ Л. Н. Пихтин 25.!. ТРЕБОВАНИЯ К АКТИВНЫМ МАТЕРИАЛАМ ТВЕРДОТЕЛЬНЫХ ЛАЗЕРОВ С помощью выражения 124.30) построено семейство кривых вида 4)=Цз) при различных и (рис.
2АА6). Фиксируя параметры устройства так, чтобы они удовлетворяли заданным значениям и, можно построить зависимости сигнала 1! от безразмерного параметра з и эти зависимости преобравовать в зависимости 4! от требуемого значении в сгхиветствуюших координатах (в том числе и от времени). Таким образом, можно построить нагрузочные характеристики, расськлреть влияние на амплитуду импульса толщины электре1а, плошади электродов, скорости движения электрода и т.
д. Другие применения электретав. Имеются сведения об использовании электретов в головках звукоснимателей, в маломощных реле, в датчиках для измерений неэлектрических величин, переменных деформаций, вибраций Твердотельные лазеры — это лазеры, активный элемент которых выполнен из диэлектрика, находящегося ири нормальных условиях в твердом состоянии. Полупроводниковые лазеры обычно выносят в тдельную группу — это лазеры с полупроводниковым активным элементом. Диапазон работы современных твердотельных лазеров охватывает ультрафиолетовую, видимую и ближнюю инфракрасную области спектра.
Расширение этого диапазона наряду с повышением эффективности твердотельных лазеров является центраньной проблемой лазерной техники. Эти проблемы, в первую очередь, связаны с улучшением характеристик лазерных актнвнык сред. Рост КПД некоторых типов лазеров, работающих Рис. 24.!6. Зависимости амплитуды импульса иа выходе электретной клавиши от безразмерного параметра л при различных значениях и и т. и. Электреты также применяют в электрофотографин, иля лвииси звука и изображения, в дознметрах у- и рентгеновских лучей, нейтронного потока, в медицине в качестве искусственных кровеносных сосудов, для ускорения лечения переломов костей и т. п.
в спектральных областях 1,06; 1,5 и 3 мим |рис. 25.1), связан прежде всего с совершенствованием характеристик активных элементов, особенно с разработкой эффективных сенсибилизвторов и созданием новых активных сред. Возможности активных лазерных крис. галлов далеко не исчерпаны. Например, число возможных излучательных переходов между различными состояниями редкоземельных ионов РЗ'+, наиболее чаша используемых в качестве ионов-активаторов, превышает 1О', в то времн квк генерация пока получена менее чем на 40 переходах.
Проблема создаяия новых активных материалов твердотельных лазеров, а также использование уже имеющихся в новом качестве затрагивает многие свойства как матрицы-осноны, так н примесного иона. Материалы, предназначенные для изготовления лазерных активных элементов, дол- Активные материалы твердотельных лазеров '!раап. 25) 6Ю )87() )ЮОк Рис. 25.1.
КПД некоторых типов твердотель- ных лазеров 1 — лазеры иа веадимозои стекле (к=1,06 мкм); 2 — лазеры ка иттербий-эрбнезои стекле (Х= = !,54 мкм); 3 — лазеры нз ИАГ: Егг+ (Хм 3 мкм) жны обладать вполне определенной системой энергетических уровней. Условие инверсной населенности, как известно, легче всего достигается в четырехуровневой квантовой системе (рис. 25,2]. Индуцнроваиное излучение возникаег при переходе активных атомов или молекул между уровнями (Рг -г(тгь нижний из которых расположен выше основного уровня йгм так что (уг~ — (РзЪ йТ и при термодинамнческом равновесии населенность уровня (Р> пренебрежимо мала.
Накачка осуществляет переход (Уа )Уз. Лля того чтобы в такой системе можно было получить состояние с инверсной населенностью между уровнями (Угз н )Угь необходимо выполнение следующих условий: ! . Нижний рабочий лазерный уровень (Р> должен опустошаться как можно быстрее, т. е. время жизни т~з — мало. 2. Время жизни на верхнем рабочем лазерном уровне (Рг должно определяться излучательными переходами (Угз-гргь Кнантовый выход люминесценции должен быть близок к !. По возможности уровень (гэ должен быть метастабильным, котя при работе по Рис. 25.2. Четырехуровневая схема работы .
квантовых усилителей и генераторов, четырекуровневой схеме это условие не является обязательным. 3. Вероятность перехода Фз -+ В'з должна быть велика для быстрого заполнении верхнего рабочего уровня. Условие инверсной населенности является необходимым, но недостаточным для получения усиления и генерации электромагнитного излучения. В реальных веществах всегда имеются причины дополнительного ослабления электромагнитной волны, не связанные с переходами между рабочими уровнями.
Для получения усиления вынужденное излучение должно компенсировать все потери электромагнитной энергии в вещесгве, поэтому к оптическим свойствам активных материалов квантовой электроники предъявляются весьма жесткие требования. Жесткие требования предъявляются также к их механическим и теплофизическим свойствам. Требования, которым должна удовлетворять рассмотренная четырехуровневая квантовая система, позволяют определить основные свойства, которыми должны обладать материалы, предиазначеняые для создания активных лазерных элементов с оптической накачкой. Важнейшими из них являютсн: 1. Наличие резких, интенсивных линий флуоресценции с квантовым выходом на рабочем переходе, бзизкнм к единице.
2. Наличие достаточно широких полос активного поглощения в области излучения источника накачки. 3. Отсутствие потерь в материале на частоте рабочею перехода: Перечисленным требованиям наиболее полно удовлетворяют парамагнитные диэлектрики, представляющие собой твердые растворы ионов элементов с недостроенными внутренними электронными оболочками в различных кристаллических нли аморфных матрицах. В качестве таких ионов обычно применяются элементы группы железа, имеющие недостроенную Зг(-оболочку, редкоземелыще (РЗ) элементы с недостроенной 4(-оболочкой (лантаноиды) и актиноиды с 5)-недошрсеи.
иой оболочкой. Наиболее широко использу. ются лантаноиды. Все электронные переходы осуществляются между уровнямн энергии парамагнитных ионов. Эти ионы, называемые активаторами, и являются собственно аитивными, в то время как кристаллическая нли аморфная основа в большинстве случаев выполняет роль матрицы. Между тем многие свойства активного вещества определянжя матрицей, к которой предъявляют весьма высокие требования: 1.
Неактивироваиаые матрицы не должны иметь нн собственного, ни примесноге ($25.2) А(отдичы и активаторы поглощении в области лазерного излучения (переход (Гэ — ьВ'~). 2. Матрица не должна обладать неактивным поглощением в области излучения источника накачки. 3. Матрицы должны обладать высоиой теплопроводностью для того, чтобы энергия, передаваемая решетке в результате безызлучательных переходов (Рз )Г» и )Г~ )Гм и энергия, поглопгеинан при излучении, могли быстро рассеиваться. 4.
Матрицы должны обладать высокими оптичесними свойствами. Свили, оптические неоднородности, напряжения, пузыри увеличивают порог генерации, уменьшают лучевую стойкость и ухудшают диаграмму направленгюсти лазера. В процессе лазерного излучения активная среда должна испытывать минимальные искажения оптической однородности. 5. Матрица должна обладать хорошими механическими свойствами. Недостаточная твердость и слабая химическая стойкость кристаллических или аморфных основ увеличивают трудности изготовления активного элемента требуемой формы, к параметрам которого, как геометрическим (качество поверхности, параллельность торцов), так и оптическим (постоянство коэффициента преломления), предъявляютси очень высокие требования.
5. Структура кристаллической решетки матрицы должна допускать введение заданного активатора. Чем более благоприятны геометрические условия (равенство ионных радиусов), тем более высокие концентрации активатора могут быть введены без появления оптических дефектов: 7. При необходимости должна имегься жжможность компенсировать различна в валентности ионов активатора и замешенных ионов решетки. 8. Матрица должна быть устойчива к воздействию ультрафиолетового излучения ламп накачки, т.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
