Файл: Левитин И.Б. Инфракрасная техника.pdf

при полосе пропускания А/ (Гц) и для площади чувстви­ тельного элемента ап (см2 ), то

Очевидно, что детектирующая способность D* выражается в Гц1 / 2 -см-Вт_ 1 .

Параметры приемников инфракрасных излучений определяются экспериментально на установке, в которой излучателем служит модель черного тела с заданной и стабилизированной температурой. Сначала определяется суммарный уровень шумов приемника і!т, экранированного от излучателя. Затем на приемник посылается излучение от черного тела, модулируемое вращающимся диском с отверстиями, и измеряется сигнал 0С на выходе. Падающий на приемник лучистый поток Ф (Вт) определяется из выражения:

лучающего отверстия черного тела, см2 (может быть уменьшена диа­ фрагмой); ап — площадь чувствительного элемента приемника, см2 ; / — расстояние от излучающего отверстия до приемника, см.

Ро

Вобщем случае приемник излучений селективен, т. е. чувстви­ тельность его распределена по спектру сообразно с его спектраль­ ной характеристикой S {X). Следовательно, напряжение сигнала Uc

может быть рассчитано (на основании (21) и (25)) так:

53

54

Следовательно, пороговая чувствительность приемника для излучения при температуре Т2, будет

На рис. 18 показана вычисленная подобным образом зависи­ мость пороговой чувствительности ФП ор сернистосвинцового фоторезнстора от температуры Т излучателя (черного тела) — кри­ вая 1. Для сравнения приведена аналогичная зависимость для болометра (прямая 2, параллельная оси абсцисс), чувствитель­ ность которого не зависит от длины волны падающего на него из­ лучения и, следовательно, от температуры излучателя.

16. Тепловые приемники инфракрасных излучений

В тепловых приемниках падающий на чувствительную площадку приемника и поглощенный в нем лучистый по­ ток (оптический сигнал) увеличивает температуру чувст­ вительного элемента, а это изменение температуры превра­ щается в электрический сигнал. Большинство тепловых приемников обладает неселективностыо, т. е. их спектраль­ ная чувствительность одинакова для всего рабочего спек­ трального диапазона данного приемника.

К тепловым приемникам излучений относятся: несе­ лективные термоэлементы (термопары с зачерненной при­ емной площадкой); термоэлементы торцового типа; боло­ метры (металлические напыленные и полупроводниковые); неселективные оптико-акустические приемники; эвапорографический преобразователь; диэлектрический и пиро­ электрический приемники.

Рассмотрим принципы действия, свойства и характери­ стики перечисленных тепловых приемников.

Неселективные термоэлементы. Неселективные радиа­ ционные термоэлементы представляют собой обычную тер­ мопару, рабочий («горячий») спай которой имеет зачернен­ ную площадку, в которой поглощается падающее излуче­ ние, нагревая при этом спай. Термоэлементы не требуют источников питания, так как сами являются генераторами термо- э. д. с. В качестве термоэлектрической пары выби­ рают комбинацию металлов или сплавов, создающую до­ статочно высокую термо-э. д. с. (например, висмут и сплав

55

висмута с 5% олова). Для снижения тепловых потерь с площади чувствительного элемента его помещают в ряде конструкций в стеклянный баллон, в котором создается вакуум. В баллоне устраивается окно из материала, про­ зрачного для длинноволновых инфракрасных излучений (KBr, NaCl, CsJ и др.). Так как снижение теплоотдачи чувствительного элемента увеличивает постоянную вре­ мени приемника, то стараются уменьшить размеры и тол­ щину приемной площадки, чтобы снизить ее теплоемкость и тепловую инерционность.

Рис. 19. Термоэлемент торцового типа

Однако детектирующая способность D* радиационных термоэлементов практически постоянна только для ко­ ротковолновых инфракрасных излучений и резко падает для больших длин волн (начиная с 5—7 мкм) из-за непо­ стоянства поглощательной способности черни, наносимой на приемную площадку.

Термоэлемент торцового типа. Основное отличие термо­ элементов торцового типа состоит в том, что контакт двух термоэлектрических материалов осуществляется не непо­ средственно, а через металлическую зачерненную (погло­ щающую) полоску, которая служит приемной площадкой (рис. 19). На изолирующей подложке укрепляются два полупроводниковых стержня с коническими концами; к этим концам приваривается полоска из золотой фольги толщиной менее 1 мкм, покрытая слоем черни. Оптические

56

свойства (селективность) термоэлемента определяются свой­ ствами черни и окна, которое изготовляется из бромистого калия или флюорита.

Вся конструкция помещается в баллон с высоким ва­ куумом (порядка Ю - 5 — Ю - 6 мм рт. ст.); следовательно, потери тепла от чувствительного элемента определяются главным образом теплопроводностью и излучением чувст­ вительной площадки. В связи с этим материал стержней должен обладать возможно меньшей теплопроводностью и создавать наибольшую термо-э. д. с. при малом электри­ ческом сопротивлении.

Для поддержания вакуума в баллоне (для поглощения оставшихся газов) в нем помещается геттер из щелочных металлов.

Очевидно, что в описанной конструкции термоэлемент фактически разделен на две части: первый стержень — зо­ лото и золото — второй стержень. Поэтому металлическая площадка фактически не участвует в создании термо-э. д. с , которая возникает между полупроводниковыми стерж­ нями; потенциал одного из них выбирается положительным, а другого — отрицательным (сравнение ведется по отно­ шению к платине). В такой конструкции сигнал удваи­ вается.

Приводим данные неселективных торцовых термоэле­ ментов типов ТП (СССР) и Перкин—Элмер (Англия) в табл. 11.

Болометры. Болометр является неселективным приемни­ ком излучений, чувствительный элемент которого пред­ ставляет собой поглощающую поверхность обычно в виде тонкой пленки (полоски или нити); при облучении ее тем­ пература повышается и сопротивление резко изменяется.

57

Конструктивно болометр чаще всего выполняют в виде двух одинаковых чувствительных элементов, включаемых в плечи мостовой схемы, причем один из этих элементов служит приемником излучения (рабочий элемент), а вто­ рой (компенсационный элемент) компенсирует колебания температуры окружающей среды и другие тепловые помехи. Таким образом, болометр представляет собой приемник, в котором используется питание его электрической цепи рабочим током мостовой схемы, причем изменение сопро­ тивления этой цепи регистрируется как изменение напря­ жения на выходе схемы, возникающее при разбалансировке моста.

Если Rx — сопротивление рабочего элемента, R2 — сопротив­ ление компенсационного элемента, R3 и Rt — плечи моста, изме­ рительная диагональ которого включена на вход электронного усилителя, то при изменении сопротивления R1 рабочего элемента (вследствие поглощения излучения, вызывающего нагрев элемента) ранее уравновешенный болометрический мост разбалаисировывается и на входе усилителя появляется напряжение сигнала

AU = MlARh

где / — рабочий ток через болометр; M — схемный фактор, зави­ сящий от соотношения сопротивлений плеч моста и входного со­ противления усилителя.

Питание болометрического моста может осуществляться как постоянным током (в этом случае падающее на чувст­ вительный элемент излучение модулируют с помощью вра­ щающегося диска с отверстиями с частотой 10—20 Гц), так и переменным током с частотой в несколько сот или тысяч герц. Чаще всего для усиления сигналов с болометриче­ ского моста используют резонансные усилители, настроен­ ные на частоту модуляции излучения, причем при питании моста постоянным током усиление осуществляется на ча­ стоте модуляции, а при питании переменным током осу­ ществляется сначала первое усиление на частоте питания моста, затем детектирование и после него второе усиление на частоте модуляции.

Оптимальные условия питания болометрической схемы создаются при такой стабилизации рабочего тока, при ко-

58