Основные характеристики приемников излучения

Реферат

на тему: «Тепловые источники излучения - болометры»

по курсу: «Источники, приемники и концентраторы излучения»

группа: Э3-82

Выполнил(а) студент(ка) Н.В. Амельчева

(подпись, дата)

Преподаватель курса В.Д. Телех

(подпись, дата)

Москва — 2015

Содержание

Введение……………………………………………………………………………….…………3

Основные характеристики приемников излучения……………………………………………4

1. Чувствительность…………………………………………………………………...…4

2. Квантовая эффективность…………………………………………………………….6

3. Шумы в приемниках излучения………………………………………………………6

4. Инерционность приемников………………………………………………………….7

5. Разрешающая способность многоэлементных приемников………………………..9

Элементы теории тепловых приемников излучения…………………………………………10

Общая теория болометра………………………………………………………………………12

Металлические болометры…………………………………………………………………….16

Полупроводниковые болометры………………………………………………………………21

Сверхпроводящие болометры…………………………………………………………………22

Список литературы……………………………………………………………………………..24

Введение

В зависимости от экспериментальных целей приемники должны удовлетворять требованиям, которые в некоторых случаях исключают друг друга. Поэтому существуют большое разнообразие типов приемников излучения.

Одним из наиболее чувствительных приемников в видимой области спектра является глаз человека. В области максимальной чувствительности ( ) глаз чувствует энергию одиночной вспышки, соответствующую десятку фотонов. Однако визуальные наблюдения позволяют лишь сравнивать величины световых потоков с одинаковым спектральным составом. Для количественных измерений человеческий глаз не пригоден главным образом потому, что его чувствительность в зависимости от его освещения меняется во много раз.

Важными свойствами тепловых приемников, определяющими во многих случаях целесообразность их применения, являются пригодность для абсолютных измерений энергии излучения и постоянство чувствительности в очень широкой области спектра.

По принципу действия, т.е. способу преобразования температуры в измеряемый электрический сигнал, приемники делятся на фотонные(квантовые) и тепловые.

Фотонные приемники реагируют на количество фотонов, поглощенных в приемном элементе. Действие большинства фотонных приемников основано на явлении фотоэффекта. Такие приемники включают в себя фотоэлектрические, фотоэмиссионные и фотоэлектрические полупроводниковые приемники.

Тепловые приемники, в свою очередь, реагируют на количество энергии, потраченной на нагревание приемного элемента. Тепловая энергия обычно преобразуется в электрическую с помощью какого-либо физического явления. Тепловые приемники подразделяются на термоэлементы, болометры, пироэлектрические и оптико-акустические (пневматические) приемники.

Приемники излучения бывают одноэлементные и многоэлементные. Первые имеют один приемный элемент, иногда довольно больших размеров, и регистрируют световой поток, усредненный по всей приемной площадке. В многоэлементных приемниках содержится много маленьких дискретных или непрерывно распределенных приемных элементов. Они регистрируют одномерное, двумерное или даже трехмерное изображение (спектра, голограммы и др.).

Основные характеристики приемников излучения

1. Чувствительность

Интегральную чувствительность S определяют как отношение величины электрического сигнала, выраженной в единицах напряжения или тока на выходе приемника, к величине потока в люменах на его выходе. Однако больше информации несет спектральная чувствительность , относящаяся к монохроматическому излучению и выражаемая в энергетических единицах. Интегральная S и спектральная чувствительности связаны между собой соотношением

Где - максимальная спектральная чувствительность приемника в энергетических единицах [A/Bт, В/Вт], - относительная спектральная чувствительность, - спектральная плотность мощности излучения стандартного источника с К, который обычно используется при измерении чувствительности, - длинноволновая граница чувствительности приемника, - кривая видности. Числовой коэффициент в знаменателе представляет собой фотометрический эквивалент излучения для длины волны максимальной чувствительности глаза мкм, равный 680 лм/Вт.

Чем выше чувствительность, тем, обычно, проще усилительный тракт для работы с приемником.

Пороговую чувствительность характеризуют минимальным сигналом на выходе приемника, который можно заметить на фоне его собственных шумов. Типичная запись во времени напряжения шумового сигнала на выходе показана на рис.1. Хаотически меняющийся сигнал может быть представлен набором гармонических сигналов с различной частотой f и различными амплитудой и фазой. В области низких частот кривая спектральной плотности среднеквадратичного напряжения шума обычно поднимается примерно обратно пропорционально частоте.

Если на приемник поступает неизменный во времени оптический сигнал и на выходе приемника включен широкополосный усилитель с полосой пропускания от до , то на полезный сигнал наложен весь шум, заключенный в этой полосе. Отношение сигнал – шум и наблюдаемость сигнала при этом невелики. Для повышения отношения сигнал – шум падающее на приемник излучение модулируют и используют узкополосную усилительную систему с шириной полосы , включающий в себя частоту модуляции . Тогда усиливается весь измеряемый сигнал лишь та небольшая часть шумов, которая заключена в этой полосе . Частоту модуляции выгодно выбирать подальше от области низкочастотных шумов. Однако из-за инерционности многих приемников модуляцию производят обычно на частоте 5-100 Гц.

Критерием пороговой чувствительности полагают равенство напряжения выходного сигнала , частота которого совпадает с частотой модуляции оптического сигнала, и среднеквадратичного напряжения шума , заключенного в полосе Гц с центром при . Пороговая чувствительность соответствует такой мощности оптического сигнала на входе приемника, при которой на его выходе отношение напряжений сигнал – шум в полосе, пересчитанной к Гц, равно единице.

Величину определяют, освещая приемник излучением черного тела с известной температурой. Поэтому одновременно с численным значением величины должны указываться температура черного тела, частота модуляции и полоса частот. Например, запись означает, что измерена при Т = 500 К, =10 Гц и Гц.

Обнаружительной (детектирующей) способностью Д приемника называют величину, обратную : Д = 1/ . Величина зависит от площади приемника и примерно пропорциональна . Для сравнения свойств приемников различных размеров вводят удельную обнаружительную способность Д*, не зависящую от площади:

.

2. Квантовая эффективность

Наблюдаемость сигнала определяется отношением его мощности Р к мощности шумов , поступающих вместе с ним. Если сигнал с наложенным на него внешним шумом проходит через идеальное устройство, преобразующее величины Р и одинаковым образом и не имеющее собственных шумов, то отношение сигнал – шум сохранится прежним и наблюдаемость сигнала не изменится. Реальные устройства, однако, вносят дополнительные шумы, в результате чего отношение сигнал – шум на выходе оказывается меньше, чем на входе устройства .

Для характеристики приемного устройства в целом, от светочувствительной поверхности до регистрирующей части, используют величину

/ ,

называемую квантовой эффективностью, действующим квантовым выходом, или действующей квантовой эффективностью. Она удобна для сравнения любых приемников излучения в реальных условиях эксперимента. Следует учесть, что однако, что значение может меняться в зависимости от условий работы, в частности от того, сильные или слабые световые потоки регистрируются.

Действующий квантовый выход идеального приемника (не шумящего) равен единице. Для других приемников значение представляет собой число, показывающее, какая часть всех квантов, падающих на приемник, достаточна, чтобы, пользуясь идеальным приемником, иметь ту же точность регистрации светового потока.

3. Шумы в приемниках излучения

Шумы в приемниках излучения имеют разнообразное происхождение. Можно классифицировать несколько видов шумов, в той или иной мере присущих всем приемникам.

1. Фотонный шум, или шум излучения, определяется флуктуациями числа фотонов, поступающих на приемник в единицу времени. Поскольку среднеквадратичное отклонение числа независимых событий согласно классической статистике пропорционально квадратному корню из числа событий n, относительная величина флуктуаций оказывается обратно пропорциональной :

.

При постоянной величине падающей на приемник мощности число квантов уменьшается с повышением частоты. Следовательно, в коротковолновой области спектра фотонный шум (флуктуации числа фотонов) всегда больше, чем в длинноволновой.

2. Шумы темнового тока проявляются в том, что всякий приемник в отсутствие освещения дает темновой (флуктуирующий) ток. Флуктуации темнового тока в фотоприемниках носят название дробового шума. Причиной его является дискретный характер электрических зарядов, эмитируемых с катода и поступающих на анод. Название «дробовой шум» возникло из аналогии с падением дробинок на поверхность. Дробовой шум исчез бы, если бы элементарный электрический заряд был бесконечно малым.

В приемниках с внутренним фотоэффектом шум темнового тока называют генерационно-рекомбинационным шумом. Он создается спонтанными флуктуациями скоростей возникновения и рекомбинации носителей тока (электронов и дырок). Генерационно-рекомбинационный шум, как и дробовой, зависит от величины приложенного напряжения и температуры.

В случае тепловых приемников существует шум, обязанный своим происхождением хаотическим изменениям температуры приемника, которые возникают при обмене энергией приемника с окружающей его средой (вводами, подложкой, окружающим газом) за счет теплопроводности. Для уменьшения флуктуации температуры необходимо понижать температуру приемника или увеличивать его теплоемкость.

3. Тепловой шум (шум Джонсона) соответствует обычному некогерентному излучению, которое по закону Планка испускается любым телом, находящимся при Т>0. С учетом закона Кирхгофа можно сделать вывод, что тепловой шум имеет наибольшую величину у черного тела и уменьшается при понижении поглощательной способности тела. Таким образом, сам поглощающий элемент приемника и детали спектрального прибора (призмы, линзы, окна и др.) являются источниками шума. Поэтому поглощающие входные устройства оптических приемников нежелательны не только из-за снижения полезно используемой доли мощности входного сигнала, но и с точки зрения неизбежности теплового шума.

4. Низкочастотные шумы, мощность которых обратно пропорциональна частоте, имеют место практически во всех приемниках излучения. В зависимости от типа приемника эти шумы носят разные названия. Так, в случае фоторезисторов это токовые шумы, вызываемые неравномерностью прохождения тока по массе фотосопротивления. Ток протекает преимущественно в местах контакта отдельных зерен фотослоя. При этом происходит локальный нагрев зерен, изменение сопротивления контактирующих участков зерен – отсюда возникают медленные флуктуации тока. Наибольшую величину токовый шум имеет в полупроводниках и металлических пленках, нанесенных распылением.

Низкочастотные шумы наблюдаются у приемников с внешним фотоэффектом. В этом случае их называют фликер-шумами (шумами мерцания) и связывают с флуктуациями областей эмиссии электронов по поверхности катода. У большинства приемников при частоте модуляции f<100 Гц этот шум является главным. Низкочастотные шумы удается уменьшить улучшением конструкции приемника и более тщательной технологией его изготовления.

4.Инерционность приемников

Отклик приемника на внезапно поданный сигнал не может быть мгновенным. Быстрота реакции приемника связана с физическими процессами, протекающими в нем при освещении. В большинстве случаев в формировании выходного сигнала участвует несколько процессов, и ход нарастания сигнала можно представить в виде суммы нескольких экспонент. Для удобства полагают, что как нарастание, так и спад сигнала происходят по одинаковой экспоненте. Постоянной времени приемника принято считать время, в течение которого сигнал нарастает до значения, отличающегося от стационарного на 1/e, т.е. равного 0,63 от стационарной величины.

При синусоидальном изменении сигнала чувствительность на частоте модуляции f связана с чувствительностью для постоянного сигнала S(0) соотношением

При <1 (низкие частоты f или малая постоянная времени ) чувствительность S(f) практически не зависит от частоты. Спад ее начинается, когда величина приближается к единице. При частоте модуляции входного сигнала

,

которую можно считать верхним частотным пределом приемника, S(f) = 0,71S(0). При чувствительность обратно пропорциональна частоте модуляции.

Рабочей полосой частот приемника называют область от до . Следовательно,

= .

Так, приемник с постоянной времени мс имеет = 8 Гц и сохраняет свою чувствительность лишь при частотах модуляции от 0 до 8 Гц. Отметим, что такая инерционность типична для тепловых приемников. В случае фотоэлектронных приемников инерционность оказывается намного меньшей. Полоса частот специальных типов фотоэлектронных приемников может доходить до сотен и тысяч мегагерц. Столь малая инерционность необходима, например, для регистрации сверхкоротких импульсов, а также для передачи информации в оптических каналах связи.

Обнаружительная способность Д* приемника зависит от частоты модуляции излучения таким же образом, что и чувствительность S(f), если приемник обладает шумом, зависящим от частоты. Если шумы растут примерно по закону 1/f, обнаружительная способность выражается зависимостью

Она максимальна на частоте , которая таким образом для этих приемников является оптимальной.

5. Разрешающая способность многоэлементных приемников

Приемники, предназначенные для регистрации оптических изображений, характеризуются разрешающей способностью. Наиболее строго разрешающая способность (резкостная характеристика приемника) описывается с помощью частотно-контрастной характеристики (функции передачи пространственной модуляции).

Изображение на светочувствительной поверхности приемника представляют как совокупность синусоидальных пространственных волн интенсивности (полосок и линий), каждая – с определенной пространственной частотой (числом линий на единицу длины), амплитудой и фазой. При регистрации может происходить «замазывание» пространственной картины, уменьшение ее контраста

где и – амплитуды пространственной волны интенсивности в максимуме и минимуме.

Коэффициент передачи контраста Q равен отношению значений контраста на выходе и на входе :

Q = / .

Частотно-контрастной характеристикой (ЧКХ) является зависимость коэффициента передачи контраста Q от пространственной частоты. ЧКХ дает более полную информацию о свойствах оптической системы, чем разрешающая способность, поскольку она характеризует возможность системы адекватно воспринимать детали объекта любых размеров, а не только самые мелкие.

Поиск по сайту: