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

гельпого слоя. Известно, что внутреннее сопротивление фоторе­ зисторов изменяется при снижении температуры слоя (см. рис. 4.17). Охлаждение приводит также к увеличению порога чувст­ вительности приемника. Повышение чувствительности при охлаж­ дении можно объяснить уменьшением энергии электронов, про­ тиводействующих протеканию тока сигнала; уменьшение шумов

улучшается более чем в десятки раз, а у фотомагнитного прием­ ника из сурьмянистого индия — почти в 100 раз. Отсюда выте­ кает необходимость применения охлаждения для повышения чув­ ствительности. Повышение же температуры может иногда отри­ цательно сказаться на параметрах приемников. Так, например (см. рис. 4.23), повышение температуры германиевого фотодиода с 30 до 100° С увеличивает темповой ток г'т почти в семь раз.

Взаключение в табл. 4.1 приведены конкретные значения рассмотренных нами параметров для разных приемников лучи­ стой энергии (ПЛЭ).

§4.5. ПРИЕМН ИКИ С ВНЕШНИМ ФОТОЭФФЕКТОМ

Ваппаратуре ИК-техникн из приемников с внешним фото­ эффектом широкое применение получили фотоэлектронные умно­ жители — ФЭУ. Фотоэлектронные умножители предназначены для приема ПК-излучений в ближней части ИК-спектра (А, до

1,2 мкм).

Фотоэлектронный умножитель (ФЭУ) — это приемник, пре­ образующий лучистую энергию в фотоэлектронную эмиссию с последующим многократным ее усилением. На рис. 4.24 показа­ на принципиальная схема фотоэлектронного умножителя. Умно­ житель состоит из катода К, анода А и нескольких электродов si, S2 , . . sn. На эти электроды подается последовательно нара­ стающее напряжение. Лучистый поток, падающий на фотокатод К, освобождает первичные электроны, которые под действием ускоряющего поля попадают на первый электрод Sj и «выбива­ ют» из него вторичные электроны. Каждый первичный электрон способен возбудить и выбить несколько вторичных электронов. Так возникает вторичная электронная эмиссия. Отношение числа вторичных электронов У2 к числу первичных Ni называется ко­ эффициентом вторичной эмиссии

Наибольшей вторичной эмиссией обладают материалы, имею­ щие наименьшую работу выхода первичных электронов. К та-

130

kiim материалам относятся цезий и его соединения. Вторичные электроны с электрода бт ускоряющим полем направляются на следующий электрод, где они снова выбивают еще большее число вторичных электронов. Этот процесс повторяется в каждой паре электродов. Происходитпоследовательное нарастание электрон­ ного тока, который в цепи анода уже в миллионы раз превышает первичный фототок. Величина фототока на выходе умножителя определяется соотношением

где •) — первичный фототок с поверхности катода; п — число электродов.

Для увеличения отдачи электродов необходимо направлять па них поток электронов при помощи электростатической или электромагнитной фокусировки.

Большим достоинством ФЭУ является их высокий порог чув­ ствительности, достигающий КН 8 Вт, и весьма малая инерцион­ ность. В настоящее время разработаны ФЭУ, способные регист­ рировать сигналы с частотой модуляции до 1000 МГц, что очень важно при приеме когерентных излучений оптических квантовых генераторов. Для этих целей рекомендуется использовать фото­ электронный умножитель ФЭУ-84, ФЭУ-79 и др.

§ 4.6. О Х Л А Ж Д ЕН И Е ПРИЕМНИКОВ ИКИЗЛУЧЕНИЯ

При изучении отдельных типов приемников было показано, что охлаждение болометров и почти всех видов фоторезисторов во много раз увеличивает их чувствительность.

Для охлаждения приемников служат специальные холодиль­ ные устройства. В современных приемниках ИК-излучения при­ меняются следующие холодильные устройства:

—криостаты;■

—термоэлектрические холодильники;

—холодильники с использованием эффекта Джоуля — Том­

сона;

—холодильные устройства с переносом хладагента.

1.Криостаты

Криостаты, пли сосуды Дыоара, являются наиболее распро­ страненными холодильными устройствами. Обычный термос явил­

заливке жидкого хладагента, не допускающем выливания хлад­ агента. Поэтому фоточувствительный слой в таких системах на­ клеивается на боковую сторону внутреннего стакана, а в наруж­ ном делается специальное отверстие, закрываемое материалом, пропускающим ИК-излучение.

2. Термоэлектрические холодильники

Термоэлектрические холодильники применяются в приемни­ ках, не требующих для увеличения чувствительности глубокого охлаждения, т. е. охлаждения до температур жидкого азота, во­ дорода или гелия. Современные термоэлектрические холодиль­ ники могут обеспечить охлаждение приемника на 100° относи­ тельно температуры окружающей среды. Это означает, что при температуре воздуха в +504-60° С можно охладить фотослой до

-404-50° С.

132

Принцип действия термоэлектрических холодильников осно­ ван на использовании эффекта Пельтье. Известно, что в термо­ элементе возникает термо-э.д.с., если один его спай нагреть, а другой охладить. Оказалось, что при пропускании тока через термоэлемент происходит обратное явление — один спай его ох­ лаждается, а второй нагревается. Это явление и получило назва­ ние эффекта Пельтье, по имени французского ученого, открыв­ шего это явление.

Термоэлектрический холодильник (рис. 4.26) состоит из двух полупроводниковых элементов (ветвей) с п- и /э-проводимостыо, последовательно соединенных с источником питания. При про­ хождении постоянного тока через эле­

дет понижаться до определенного значения. Перепад температур АТ между холодным и горячим спаями может быть вычислен по формуле

проводники и их соединения. Так, для широко используемого в термоэлектрических холодильниках теллурида висмута (Bi2-Te3)

1,6-10- 3 Если подставить это значение в формулу (4.35), то

получим при температуре горячего спая 300 К (примерно комнат­ ная температура) максимальный перепад ДГ=0,5-1,6-10~3-9-104 = = 72°, т. е. холодный спай, а следовательно, и приемник излуче­ ния будет иметь температуру Гх= 300—72= 228 К или —45° С.

133

Для увеличения холодопроизводительности отдельные термоэле­ менты соединяются в термобатареи.

3. Холодильники Джоуля — Томсона

Более 100 лет назад английскими учеными Джоулем и Том­ соном было установлено, что при расширении сжатого газа в вакууме происходит его охлаждение. Это явление получило на­ звание эффекта Джоуля — Томсона. Между изменением давле­ ния газа Ap=pi—pz и изменением температуры существует зави­ симость

где р — коэффициент Джоуля — Томсона — среднее значение эффекта дросселирования (изменения давления) в интервале из­ менения давления рi—р2. В момент резкого изменения давления (дросселирования) газ, охлаждаясь, превращается в жидкость — сжижается. В приемниках ИК-излучения применяются два типа холодильников, основанных на использовании эффекта Джоуля— Томсона: холодильники, построенные по схеме «труба в трубе» и поперечноточные. Холодильник, построенный по схеме «труба в трубе», представляет собой теплообменник из двух трубок—внут­ ренней и наружной. По внутренней трубке, заканчивающейся дроссельным отверстием диаметром 25—70 мкм, пропускается газ высокого давления. Выходя из дроссельного отверстия, газ резко расширяется, давление его понижается и он охлаждается, превращаясь в жидкость. Сжиженный охлажденный газ по меж­ трубному пространству выводится наружу. Внутренняя и внеш­ няя трубки наматываются в виде спирали определенного разме­ ра и вставляются в дыоар. Чтобы трубки при намотке не смя­ лись, через них пропускается газ под давлением 80—100 кгс/см2.

Температура охлаждения зависит от давления газа на выхо­ де дросселя —• чем оно меньше, тем ниже температура охлаж­ дения. Это условие лучше всего обеспечивается в так называе­ мых поперечноточных теплообменниках. На рис. 4.27 показано

Рис. 4.27. Устройство поперечноточного холодильника Джоуля—Томсона:

/ —спираль теплообменника; 2—сердечник; 3—внутренняя колба Дыоара; 4—приемник; 5— входной штуцер

134

устройство одного из таких холодильников. Холодильник пред­ ставляет собой спираль 1 из тонкой металлической трубки, за­ крепленной на сердечнике 2. Трубка выполняет роль поперечно­ точного теплообменника. Сжатый газ (воздух) поступает на вход штуцера 5, с помощью которого холодильник присоединяется к баллону со сжатым газом. Выходя из узкого отверстия, дрос­ селя трубки, газ расширяется; при этом происходит его охлаж­ дение. Холодильник плотно вставляется в дыоар 3, и поток сжи­ женного газа направляется на тыловую часть подложки 4 при­ емника ИК-излучения. После расширения холодный газ выходит из дыоара, охлаждая при этом газ, проходящий по теплообмен­ нику 1. Внешний диаметр трубки 0,5 мм, внутренний 0,25 мм. Длина сердечника около 4 см, диаметр вместе со спиралью теп­ лообменника около 5 мм.

4.Холодильники с переносом хладагента

Внекоторых случаях необходимо одновременное охлаждение нескольких приемников от одной системы. Для этих целей может быть использована установка с прямым переносом хладагента.

Рис. 4.28. Устройство холодильника с переносом хладагента:

/ —сосуд Дьюара; 2— приемник; 3—клапан; <#—предохранительный клапан; 5—подогреватель

Некоторые газы в жидком состоянии имеют очень низкие

135