Тепловые (неселективные) ФП

Такие фотоприемники делятся на 2 группы:

1) ФП, создающие термо э.д.с. при нагреве чувствительного слоя (термоэлементы);

2) ФП, преобразующие излучение в электрический сигнал (болометры, пироэлектрические приемники).

Термоэлементы были первыми для обнаружения и измерения ИК- излучения. Принцип их действия – явление генерирования термо. э.д.с.

При нагреве площадки приемника спай 1 нагревается сильнее спая 2, который обычно находится при постоянной температуре .

∆U = α_т∆Т, где α_т – коэффициент термо. э.д.с.

Материалы: Cu, Ni, Bi, Pb, Co, Al, Ta, константан.

Полупроводники Sb, Si, Te, Se, Ag₂S, Ag₂Se, их смеси.

Источником термо. э.д.с. является разница в концентрации электронов между нагретым спаем (концентрация уменьшается) и холодным (концентрация увеличивается).

Чувствительность – несколько десятков В/Вт (1 - 100).

К.п.д. – доли % для металлов и несколько % для полупроводников. У лучших Р ≈ 10^-8 – 10^-10 Вт/Гц^1/2 , Д*= 10⁸ – 10¹⁰ смГц^1/2Вт^-1.

Преимущества: механическая прочность, надежность, простота.

Недостатки: велика постоянная времени, мала пороговая чувствительность.

Применение – эталонные фотоприемники, калибровка ИК-приемников, аппаратура контроля.

Болометры. Принцип действия – изменение электропроводимости чувствительного элемента при нагревании ИК-излучением.

Материалы: металлы (Pt, Ni, Bi, Sb – тонкая пленка толщиной 0,05-3,0 мкм, полупроводники, сверхпроводники.

Приемная площадка покрывается Au и Pt чернью для поглощения излучения. Чернь обеспечивает неселективное поглощение в диапазоне 0,4-20 мкм. Простейший болометр - кусок проволоки, сопротивление которой увеличивается с нагревом от поглощенного излучения. Изменение сопротивления:

,

где - температурный коэффициент сопротивления (ТКС) при температуре Т.

Для комнатных температур у металлов = (0,3-0,4)∙10² град^-1. Металлические болометры способны фиксировать изменение температуры до 10^-7 град и обнаруживать очень низкие пороговые потоки.

Для исключения влияния окружающей среды при измерении используют компенсационную схему из двух болометров.

При облучении одного из болометров появляется сигнал.

,

где U_П- напряжение питания, R_Т-сопротивление болометра.

Чувствительность S_u=3υ_п = 10-25 В/Вт, где f_M - частота модуля, С-теплоемкость, -ТКС.

С уменьшением температуры _т увеличивается в 10³-10⁴ раз. При температурах сверхпроводимости S_u резко возрастает. При использовании Ta, Nb, Nb₃Sn точность поддержания температуры должна быть 0,0001 К, что сложно обеспечить.

У полупроводников _т отрицательно, примерно равно -3∙10³/Т².

Материалы: NiO, CoO, пленки Ge, Si.

Смесь окислов с органическим связующим наносят на стеклянную подложку или прессуют в виде таблеток или столбиков, термообрабатывают. Поверхность чернят. R_т = 1 - 10 МОм. Предельный порог чувствительности S_u до 100 В/Вт

Обнаруживаемый оптический поток Ф_П=3·10^-11/τ, Вт, смГц^1/2Вт^-1 при 300 К и ,

S_u может увеличиваться за счет уменьшения q_п, либо для увеличения облучаемости ставят иммерсионные линзы (Su увеличивается в 3-4 раза).

Преимущества - простота, надежность. Недостатки - малое быстродействие. Применение - радиометрия, спектрометрия, пеленгация, астроориентация.

Пироэлектрические приемники (ПЭП). Эффект был открыт в сегнетовой соли в 1938 г.

Конструктивно

Пироэлектрическая пластинка толщиной до нескольких мкм. Контакты – 0,01 - 1 мкм.

При попадании ИК-излучения на ПЭ материал возникает поляризация. Особенность в том, что ток возникает при изменении скорости прироста температуры.

Материалы: триглицинсульфат (ТГС) (NH₂CH₂CO₂H)₃∙H₂SO₄, пироэлектрический коэффициент 3∙10^-4 Кл∙м^-2∙К^-1, Т_кюри=49°С, титанат бария BaTiO₃ (К_п=7∙10^-4), Т_кюри=120°С, циркониево-титановая керамика (К_п до 17∙10^-4), танталат лития (К_п=1,8∙10⁴).

Характеристики: S_a=0.1- 4 мкА/Вт, S_u до10⁵ В/Вт - зависит от электрической схемы, τ= от 100 нс до 1 нс, Д^* (1000 К, 10 Гц, 1) =10⁸-10⁹ смГц^1/2Вт^-1, =1(0,4)-20 мкм. Можно регистрировать изменение температуры 10^-7-10^-8 град.

Достоинства - не требуется источник питания, чувствительность не зависит от площади элемента, быстродействие может быть высокое.

Недостатки – сильная температурная зависимость чувствительности (при достижении Т_кюри пироэлектрический эффект исчезает, поэтому используют при следующих рабочих температурах: Т_тгс=273-313 К, Т_ZrPbTiO3=213-333 К), чувствительность определяется изменением скорости прироста Т.

Ячейка Голея. Это пневматический приемник излучения, состоящий из камеры объемом в несколько мм³, наполненной воздухом или ксеноном при р=0,1-1,0 мм рт. ст. и окна, пропускающего излучение на тонкую поглощающую пленку. Газ, нагреваясь, деформирует мембрану, являющуюся одной из стенок камеры. Деформация определяется оптически по отклонению луча, либо электрически по изменению емкости конденсатора, одной из обкладок которого является мембрана: S_u = (1-5)∙10⁶ В/Вт, f = 0,1-10 Гц, Д^*= (1-5)∙10⁹ смГц^1/2Вт^-1 .

Поиск по сайту: