Файл: Козелкин В.В. Основы инфракрасной техники учебник.pdf

зовать термоэлементы в различной аппаратуре. Кроме того, термопары широко применяются для тарировки источников ИКизлучения, при сравнении различных приемников излучения.

И н е р ц и о н н о с т ь т определяется скоростью нарастания термо-э.д.с. до максимального значения’. Обычно т термоэлемен­ тов находится в пределах от десятых, иногда сотых долей секун­ ды до нескольких секунд. Большая инерционность является не­

териалом элементов термопары и конструкцией термоэлемента. Так как удельное сопротивление указанных выше материалов очень мало, то п общее сопротивление термоэлемента не превос­ ходит нескольких десятков ом.

2. Болометры

Болометром называется приемник лучистой энергии, дейст­ вие которого основано на изменении электропроводности чувст­ вительного элемента при нагревании его вследствие поглощения излучения. Болометры бывают металлические, полупроводнико­ вые и сверхпроводящие.

М е т а л л и ч е с к и е б о л о ме т р ы . Для изготовления ме­ таллических болометров используются платина, никель, висмут, сурьма. С целью уменьшения теплопроводности G [см. формулу (4.3)] приемная площадка делается очень тонкой — от 500 анг­ стрем до нескольких микрон. Увеличение поглощательной спо­ собности как и в термоэлементах достигается путем покрытия приемной площадки золотой пли платиновой черныо, после че­ го эта площадка становится чувствительным элементом. Золотая и платиновая черни обеспечивают неселективное поглощение из­ лучения от видимого участка спектра до 20 и более микрон.

Простейшим металлическим болометром может служить ко­ роткий отрезок проволоки. При отсутствии облучения проволока имеет сопротивление /?0. При облучении отрезка проволоки часть потока поглощается, вызывая нагрев ее, т. е. повышение темпе­ ратуры с Т0 до Т. Повышение температуры в металлах, как из­ вестно, вызывает увеличение сопротивления

100

С псшощыо современных металлических болометров можно фиксировать изменение температур до 10~7 градуса и обнаружи­ вать пороговые лучистые потоки до 10-9 Вт/Гц‘/2 вплоть до суб­ миллиметровых волн. Работает болометр обычно в мостовой схе­ ме, питаемой постоянным или переменным током. Для исключе­ ния влияния изменения окружающей температуры применяют компенсационную схему из двух болометров и Бп (рис. 4.4). В этом случае при изменении окружающей температуры оба болометра одинаково изменяют свое сопротивление, благодаря

чему равновесие моста сохраняется. При облучении одного из болометров, например Би нарушается равновесие моста и появ­ ляется сигнал Uс, равный

■Ля

где Un ■— напряжение питания;

Лт — сопротивление болометра; /?„ — сопротивление нагрузки.

Чувствительность 5 болометра приближенно можно подсчи­

— 10-4-15 В/Вт (болометр Фм-Б) и позволяет обнаруживать по­ токи Фп— 10~10 Вт/Гц,/г.

101

С в е р х п р о в о д я щ и е б о л о м е т р ы . Из выражения (4.8) видно, что чем меньше будет теплоемкость с материала чув­ ствительного элемента болометра, тем больше его чувствитель­ ность. С целью увеличения чувствительности болометров их ох­ лаждают до низких температур. Оказалось, что при охлаждении металлических болометров теплоемкость чувствительного слоя уменьшается пропорционально Р . Кроме этого, при снижении температуры уменьшаются и шумы болометра, определяющие порог его чувствительности. Так, охлаждение никелевых боло­ метров до температуры жидкого азота позволило улучшить ха­ рактеристики этих болометров более чем в 5 раз.

При дальнейшем охлаждении болометров наблюдается яв­ ление сверхпроводимости; такие болометры получили название сверхпроводящих. Явление сверхпроводимости заключается в том, что у некоторых материалов при очень низких температурах сопротивление резко падает: температурный коэффициент а стано­ вится очень большим (примерно в 103—104 раз больше, чем у металлов при комнатной температуре), что приводит к резкому увеличению чувствительности болометра [см. формулу (4.8)]. В качестве материалов для сверхпроводящих болометров при­ меняют тантал, у которого сверхпроводимость наступает при температуре 3,22—3,23 К, ниобий (9,2 К), сплав олова и ниобия (18 К), нитрид ниобия (4,34 К)-

Тонкую пластинку, проволоку пли пленку из материалов, об­ ладающих эффектом сверхпроводимости, размещают на под­ ложке внутри сосуда Дьюара с жидким гелием, неоном или во­ дородом, обеспечивающих понижение температуры до 4,2 К (Не), 27 К (Ne) и 20 К (Н). Температура сверхпроводника поддер­ живается на уровне критической, при которой наступает сверх­ проводимость. Поскольку переход к сверхпроводимости наблю­ дается в очень узком температурном интервале, то рабочая тем­ пература чувствительного слоя должна поддерживаться с точностью около 0,0001 К. Это исключает пока применение таких приборов вне лабораторных условий.

П о л у п р о в о д н и к о в ы е б о л о м е т р ы ( т е р м и с т о ­ ры). Полупроводниковые болометры (термисторы) созданы на основе полупроводниковых материалов, температурный коэффи­ циент сопротивления у которых отрицателен и на порядок вы­ ше, чем у металлов.

Для большинства полупроводников а = .Чувствительные

элементы термисторов изготовляются на основе окислов никеля, кобальта, марганца, а также из пленок германия и кремния. Изготовляют термисторы из окислов, находящихся в порошко­ образном состоянии. Смесь окислов с добавлением к ней органи­ ческого связующего вещества наносят на стеклянную подложку пли же прессуют в виде таблеток или столбиков. В том и другом

102

случае производят термическую обработку при высокой темпе­ ратуре.

Поверхность чувствительного слоя чернят для увеличения ко­ эффициента поглощения, а сам слой закрепляют на цоколе из стекла пли кварца и помещают в герметический корпус. Схема включения термистора такая же, как и металлического боло­ метра. Сопротивление термисторов может быть от 1 до 10 МОм. Предельный порог чувствительности термисторов с постоянной времени т (в секундах) равен Фпт = 3-10-п Дж или

при qn чувствительного элемента в 1 см2.

Для повышения чувствительности необходимо увеличить об­ лученность Е чувствительного элемента при том же потоке. Для

этого, как следует из Е - — , необходимо уменьшить площадку qa.

Яп

Однако уменьшение величины приемной площадки связано со сложностью создания оптических систем с малым кружком рас­ сеивания. Поэтому в последние годы для уменьшения размеров оптических систем разработаны так называемые иммерсионные болометры. В иммерсионном полупроводниковом болометре (рис. 4.5) чувствительный элемент 3 расположен в фокальной плоско­ сти сферической иммерсионной линзы 1 с высоким показателем преломления (германий). Иммерсионная линза позволяет в 3— 4 раза улучшить порог чувствительности за счет уменьшения площадки термистора при сохранении того же поля зрения, или получить ту же чувствительность, что и у обычного термистора, используя объектив вдвое меньшего диаметра.

Наиболее чувствительными из всех известных в настоящее время тепловых приемников является полупроводниковый боло­ метр Лоу. Этот болометр разработан на основе тонкослойного германия, легированного галлием.

Германиевый чувствительный элемент подвешен на двух про­ волочках в откачанном баллоне. При охлаждении до 2 К поро­ говый поток этого болометра составляет К)-14 Вт/Гц1/2. Подоб­ ный болометр использовался для исследования космического про­ странства, для спектроскопии в дальней ИК-области спектра и СВЧ-диапазоне волн.

Инерционность полупроводниковых болометров лежит в пре­ делах от 250 мкс до 20—40 мс.

Болометры как металлические, так и полупроводниковые, на­ шли широкое применение в радиометрии, спектроскопии, а неохлаждаемые полупроводниковые болометры — в аппаратуре пе­ ленгации, в системах астроориентации и другой аппаратуре. Столь широкое применение болометров обусловлено их сравнительной простотой и высокой надежностью.

103

3. Оптико-акустические и пневматические приемники

В спектроскопии и специальных измерениях находят применение оптикоакустический индикатор М. Л. Вейигерова и пневматический приемник Голея.

Оптико-акустический индикатор представляет собой песелектнвный прием­ ник лучистой энергии, предназначенный для анализа газов. Устройство этого приемника несложно (рис. 4.6, а). Лучистой поток 1, промодулпрованный дис­ ком 2, через флюорнтовое окно 3 попадает в камеру 4 с исследуемым газом 5. Под воздействием лучистого потока давление газа на мембрану 6 меняется,

создавая в микрофоне 7 электрические сигналы. Сигналы с микрофона по-

а—оптнко-акустический приемник Вейигерова; б—пневма­

даются в усилитель 8 и репродуктор 9. Сигнал в цепи микрофона зависит от

состава газа. В качестве индикатора излучения может служить непосредст­ венно мембрана 6, если ее поверхность покрыть сажей. В этом случае мем­

стоящий из камеры 10, наполненной газом. С одной стороны, камера закрыта поглощающей пленкой 11, на которую падает ИК-излученне. Под воздейст­

вием ИК-излучения пленка нагревается, деформируется и вызывает изменение давления газа. Это изменение передается на мембрану 12, прикрывающую

выход камеры 10.

Чтобы обнаружить искривление мембраны 12, внешняя ее поверхность делается зеркальной н на нее проектируется с помощью лампы 15 и конден­ сора 14 изображение решетки 13 с непрозрачными штрихами (растром).

104