Помощничек
Главная | Обратная связь


Археология
Архитектура
Астрономия
Аудит
Биология
Ботаника
Бухгалтерский учёт
Войное дело
Генетика
География
Геология
Дизайн
Искусство
История
Кино
Кулинария
Культура
Литература
Математика
Медицина
Металлургия
Мифология
Музыка
Психология
Религия
Спорт
Строительство
Техника
Транспорт
Туризм
Усадьба
Физика
Фотография
Химия
Экология
Электричество
Электроника
Энергетика

Общая теория болометра



Одним из распространенных типов тепловых приемников излучения является болометр. Он представляет собой приемник лучистой энергии, действие которого основано на изменении электропроводности чувствительного элемента при нагревании его вследствие поглощения излучения.

Рассмотрим болометрический элемент, имеющий при температуре Τ сопротивление

,

где – его сопротивление при температуре среды , а – температурный коэффициент сопротивления. Тогда для небольших изменений температур ΔТ можно написать

Как можно показать, оптимальные условия работы болометра имеют место при сопротивлении нагрузки, много больше его внутреннего сопротивления; это означает, что сопротивление болометра можно считать постоянным. Поэтому вольтовый сигнал равен

.

Электрическая мощность, рассеиваемая в болометрическом элементе, равна . Предположим, что малый лучистый сигнал вызвал увеличение сопротивления болометрического элемента, равное . В таком случае увеличение мощности, рассеиваемой в болометрическом элементе, будет равно . Это возрастание электрической мощности будет добавляться к непосредственному эффекту лучистого сигнала, вызывал дополнительное повышение температуры приемного элемента, так что результирующий сигнал будет равен сумме . Вызванное этим сигналом повышение температуры элемента будет

.

 

 

Таки образом,

или

.

 

В отсутствие тока через болометрический элемент приращение сопротивления от того же лучистого сигнала было бы равно только

так что вследствие эффекта электротермической обратной связи чувствительность увеличивается в

раз, поскольку R лишь весьма мало отличается от . Таким образом, рабочая температура Τ определяется электрическим нагреванием, т. е. , так что

.

Поэтому, если положительно, возникает электротермическая обратная связь, и чувствительность возрастает. Для идеального металла α=1/Т и предыдущее уравнение превращается в

.

Это увеличение чувствительности невелико, но все же существенно, поскольку, как показано далее, оптимальный рабочий ток создает .

Рабочие условия для металлического болометра всегда стабильны. В случае болометра, основанного на сверхпроводимости, где α также положительно, но велико, нестабильность возникает, если приближается к единице. Если электротермическая обратная связь сильнее, чем это желательно, она может быть ослаблена уменьшением нагрузочного сопротивления, поскольку, ка это можно показать надлежащим подбором режима, обратная связь может быть сведена к нулю. Для полупроводникового болометра α отрицательно, и приведенное выше рассмотрение показывает, что система является стабильной. Однако если применять малые нагрузочные сопротивления (а именно, меньшие согласованного значения), коэффициент обратной связи снова становится положительным. В предельном случае весьма малой нагрузки оказывается, что

,

так что для типичного значения α (~ —5% на 1°С) может быть близким к единице и даже превосходить ее.

Достижимая чувствительность болометра имеет окончательный предел, определяемый флуктуациями температуры его приемного элемента. Этот тепловой шум дается выражением

,

или, после приведения к ширине полосы 1 Гц,

.

Поскольку сигнал выражается как ΔΡ/λ, мощность лучистого сигнала, эквивалентная тепловому шуму, будет равна

Как можно видеть, это равенство, поскольку оно не включает α, применимо к любому тип болометра. Из него также следует, что минимальная обнаружимая мощность понижается с уменьшением потерь тепла приемным элементом, так что максимальная чувствительность достигается тогда, когда потери тепла практически происходят только через излучение.

Уравнение для определяет границу чувствительности только в том случае, когда температурный шум значительно превышает все шумы другого происхождения. На практике такие условия существуют редко и обычно важным, если не доминирующим, источником шума является джонсоновский шум электрических сопротивлений цепи болометра. Этот шум (для случая большого нагрузочного сопротивления) равен

так что минимальный лучистый сигнал, эквивалентный шумовому, оказывается равным

.

Существует три различных вида болометров. Хотя все они имеют общую черту, что их действие основано на измерении сопротивления теплочувствительного элемента, нагреваемого принимаемой радиацией, они радикально различаются по применяемым материалам и соответственно по лежащим в основе изменения сопротивления физическим явлениям.

1. Классические металлические болометры представляют собой тонкие металлические пленки с положительным температурным коэффициентом сопротивления, приблизительно равным 0,35% на 1 .

2. Полупроводниковые болометры обычно изготовляются из полупроводящих веществ типа оксидов, обладающих высоким удельным сопротивлением.

3.Сверхпроводниковые болометры. В приборе этого типа используется весьма резкое изменение удельного сопротивления, имеющее место при переходе вещества в сверхпроводящее состояние. Температурный коэффициент сопротивления имеет положительный знак и весьма велик .

 




Поиск по сайту:

©2015-2020 studopedya.ru Все права принадлежат авторам размещенных материалов.