Металлические болометры

Для частного случая «классического» металлического болометра (для которого α = 1/Т) уравнение для принимает вид

где .

Когда потери тепла происходят только вследствие теплопроводности (имея в виду, что λ не зависит от температуры), выражение для имеет максимум при ,

причем этому условию соответствует величина минимального обнаружимого сигнала, равная

Если же потеря тепла происходит только в результате излучения (имея в виду, что в этом случае λ меняется пропорционально ), выражение для ,оказывается, имеет минимум при β = 1,23, равным

где есть теплопроводность при температуре

Как отмечалось выше, наивысшей возможной чувствительностью обладает болометр, имеющий только радиационные потери тепла. Поэтому порог чувствительности классического металлического болометра может быть выражен как

Для приемной площадки размером 1 это дает Вт, а для площадки в 0,4 значение Вт.

Как легко заметить, последняя цифра дает приблизительно в четыре раза худший порог, чем вычисленный для термопары тех же размеров приемной площадки ( Вт). Причиной является только то, что болометр работает не при температуре окружающей среды, вследствие чего для него потери тепла, равно как и флуктуации температуры, являются большими, поскольку . Помимо этого, для болометра ниже, и наконец, в случае болометра нельзя считать джонсовский шум пренебрежимым, так как рабочий ток не можте быть увеличен в достаточной мере без того, чтобы не сделать другие помехи, меняющиеся с температурой в обратном направлении, слишком значительными, и тем самым еще ухудшить порог чувствительности. Тем не менее приведенная цифра Вт для приемной площадки размером 2x0,2 значительно меньше, чем любой порог чувствительности, достигнутый до настоящего времени с радиационными термоэлементами. Боле того, в случае металлического болометра имеется, по-видимому, возможность удовлетворить все основные физические требования для идеальной работы, поскольку ими являются только следующие:

1) температурный коэффициент сопротивления α должен быть равен 1/Т;

2) не должно быть никаких избыточных шумов, в частности токовых контактных шумов;

3) потери тепла через теплопроводность должны быть сделаны малыми в сравнении с радиационными потерями.

Условие 1), несомненно, может быть выполнено в случае массивного металла и даже может быть заметно превышено, в частности, при температуре ~ 100°С, которая должна быть типичной рабочей температурой. Существуют, однако, трудности изготовления достаточно тонких приемных элементов (которые имели бы за счет малой массы достаточно малые значения постоянной времени), имеющих α той ж величины, что и у массивного металла. В частности, никель, имеющий одно из наибольших для металлов значения α (0,0043 на 1°С), будучи в виде массивного металла, дает в форме тонких (0,05 мк) испаренных слоев всего лишь на 1°С. С другой стороны, при электрическом нанесении никеля на медную фольгу с последующим растворением меди электрохимическим путем могут быть получены Ni-пленки толщиной 0,1 мк с α, лежащим в пределах 0,0043—0,0051 на 1°С, а некоторые исследователи применяли прокатанную платину толщиной мене 1 мк, имевшую α, близко к α для массивного металла (0,0035 на 1°С).

В отношении условия 2) следует ожидать, что контактные шумы могут быть полностью устранены применением во всей цепи сварных соединений и что при этом токовый шум в таких «массивных» приемных элементах будет иметь место, хоть в тонких слоях, полученных испарением, катодным распылением и даже путем электролитического осаждения, их наличие следует ожидать. Было обнаружено, что токовый шум в платиновых ленточных болометрах являлся существенной помехой, но что при помещении болометра в вакуум этот шум снижался. Это привело к предположению, что шум имел акустическое происхождение.

Условие 3), т. е. требование, чтобы радиационная отдача тепла доминировала над потерей тепла через теплопроводность подводов к болометрическому элементу, не является легко выполнимым. Рассмотрим приемный элемент болометра длиной L, шириной w и толщиной t. Тогда «радиационная теплопроводность» может быть выражена как

Вт/°С,

если размеры элемента выражены в сантиметрах. Теплопроводность через оба конца приемного элемента можно оценить, приняв температуру болометрического элемента одинаковым в пределах средней трети его длины и линейно падающим в каждой концевой трети. Тогда мы получим

где К – коэффициент теплопроводности, равный для никеля и платины откуда

Таким образом, для выполнения условия 3) необходимо сделать так, чтобы что означает

.

Желательно (с точки зрения достаточно малого значения постоянной времени) значение толщины t элемента равно 0,2 мк. Поэтому должно быть . Поскольку потери в пороге чувствительности не будут слишком велико при отношении радиационной теплоотдачи к отдаче через теплопроводность, равном 3:1, минимальная длина элемента при указанной его толщине должна составлять 4 мм.

Техническим пределом размеров приемного элемента для реально осуществимого болометра из металлической фольги следует считать . Для этих размеров порог чувствительности равен

.

Характеристики некоторых из наиболее чувствительных металлических болометров приведены в таблице.

Согласно таблице представляется возможным осуществить уменьшение размеров приемной поверхности болометра Чесмера в 10 раз и тем самым достичь порога чувствительности. Но и такой болометр по порогу чувствительности будет все еще на порядок величины хуже, чем теоретически предел. Изготовители в значительной мере объясняют недостатки своих болометров токовыми шумами.

Что касается конструкции, ленточки болометра, так же, как и термоэлемент, монтируют обычно в стеклянном баллоне, снабженном «дежурным» адсорбционным насосом и окном из материала, прозрачного в нужной спектральной области. Баллон помещается в металлический экран. Обсуждать выбор материалов и величины тока достаточно сложно. Попытаемся все же это сделать.

Формулы показывают, что чем больше температурный коэффициент α при прочих равных условиях, тем лучше. Обратившись к справочникам, можно обнаружить, что для подавляющего большинства чистых металлов температурный коэффициент сопротивления почти одинаков и составляет . Такое однообразие обусловлено одинаковостью механизма рассеяния электронов, ускоряемых электрическим полем. Для чистых металлов преобладающий механизм рассеяния – рассеяние на фононах. Концентрация же «фононного газа» растет с ростом температуры и для всех веществ практически одинаково.

Таким образом, с точки зрения величины α почти безразлично, какой из чистых металлов мы выбираем.

Для сплавов α всегда меньше, чем для входящих в их состав металлов, так как в сплавах подключается другой механизм рассеяния электронов – рассеяние на дефектах кристаллической структуры, концентрация которых от температуры не зависит. Среди сплавов есть и такие, где рассеяние на фононах практически не играет роли по сравнению с рассеянием на дефектах. Это высокоомные сплавы с почти нулевым температурным коэффициентом сопротивления (константан, манганин), используемые для изготовления прецизионных резисторов, в частности, резисторов мостовой схемы болометра. Во всяком случае, на роль оптимальных материалов для изготовления ленточек болометра сплавы претендовать не могут.

С помощью современных металлических болометров можно фиксировать изменение температур до градуса и обнаруживать пороговые потоки излучения до вплоть до субмиллиметровых волн. Работает болометр обычно в мостовой схеме, питаемой постоянным или переменным током. Для исключения влияния изменения температуры окружающей среды применяют компенсационную схему из двух болометров Б1 и Б2 (рис. 1). В этом случае при изменении окружающей температуры оба болометра одинаково изменяют свое сопротивление, благодаря чему равновесие моста сохраняется. При облучении одного из болометров, например Б1, нарушается равновесие моста и появляется сигнал Uс, равный

,

где - напряжение питания; - сопротивление болометра; - сопротивление нагрузки.

Поиск по сайту: