Источники и приемники излучения - Ишанин Г.Г.
ISBN 5-7325-0164-9
Скачать (прямая ссылка):
AcjKp = —П ft) Пт == ,
где Пт — коэффициент Пельтье; i — ток; Т — температура проводника, по которому течет ток i.
Следовательно,
Дфг = —a TTi. (7.2)
Выделением тепла по закону Джоуля—Ленца пренебрегаем из-за малости токов. Тогда общая термо-э. д. с. с учетом явлений Зеебека и Пельтье
Д U = AUT — Д t/я, (7.3)
причем
A U jj = ДФуОс г/сГу, (7.4)
где от — полная термическая проводимость спая, Вт/К.
С учетом уравнений (7.1), (7.2) и (7.4) получим
A U = атТ — (ia\TjaT).
Эффект Пельтье увеличивает эффективное сопротивление цепи ТЭ на величину
<Хт Т/От.
Для определения тока получим следующее выражение: iR + ia\TjaT = «г ДТ,
откуда
i = ат AТ/(R -f- сстТ/от),
где R — сопротивление ТЭ.
Если пренебречь эффектом Пельтье, то выражение для интегральной вольтовой чувствительности холостого хода принимает вид
Sv инт = АУг/ДФ = аг АТ/АФ ^ ата/от,
где а — коэффициент поглощения.
При работе с модулированным лучистым потоком S^hht = = aaT/(2nfC), где С — теплоемкость спая, Дж/К-
Чтобы увеличить вольтовую чувствительность, надо увеличить а, аг и уменьшить ат-
Увеличить а можно чернением спая, а уменьшить ат — вак-куумированием приемного элемента. Кроме того, применяют последовательное включение нескольких ПИ (рис. 7.1, в).
Теплопроводность висмута, железа, никеля, свинца, ртути, селена составляет 0,15—0,015 Вт/м-К, а сплавов — 0,005— 0,008 Вт/м-К- Интегральная вольтовая чувствительность металлических ТЭ находится в пределах 3—5 В/Вт, чувствительность
207
полупроводниковых ТЭ 30—50 В/Вт, постоянная времени металлических 0,1—2 с, а полупроводниковых 0,04—0,1 с.
Значения пороговых потоков ТЭ в заданной полосе частот лежат в пределах 10"®—10-11 Вт по любому излучателю, так как они неселективны. Основными шумами ТЭ являются тепловой и радиационный.
Окна ТЭ делают из стекла, кварца, германия, кремния, флюорита, хлористого натрия или калия, слюды и т. д.
Качество работы ТЭ наиболее полно определяет его КПД — отношение мощности, полученной на сопротивлении нагрузки, к мощности излучения, падающего на чувствительный элемент, т. е.
т)тэ = Р/Ф.
Определим оптимальное сопротивление нагрузки для ТЭ, при которой на этом сопротивлении рассеивается максимальная электрическая мощность (работа с гальванометром):
п гп "р*н .
/=-аЛ ; Ue = IRa =
R + R* ’ ““-т.- R + RB ’
Р и i ulR* W*.
0 (Ян + Я)* (Я + Ян)а “ (Я + Ян)а ’
где ?/р — рабочее напряжение ТЭ; Ua — напряжение сигнала на сопротивлении нагрузки.
Найдем значение /?н, при котором Р = Р„„:
__ os (Я ¦+• Ян)» — 2 (R RB) RB __~ д _________ q
dR* (R+Rn)3 ’ '
Тогда можно знать сопротивление и КПД
d _ st/02 . _
тах 4Я ’ Т,тэшах — 4 R ¦
Обычно значение т]хэ не превосходит долей процентов для металлов и нескольких процентов для полупроводников.
Малое собственное сопротивление ТЭ вынуждает делать усилители с трансформаторным входом, что сильно их усложняет. Кроме того, ТЭ имеют сложную конструкцию и большую инерционность. Это служит препятствием для их широкого применения. На рис. 7.2 приведены спектральные характеристики ТЭ типа ПРТЭ-1.
В ряде приборов требуются ПИ с большой площадью чувствительного элемента. Из-за конструктивных трудностей и невозможности создать большой ПИ была создана (группированием малых площадок) круговая термоэлектрическая система с единой большой площадью, распределенной между спаями, и разработана теория для расчета ее основных параметров. В радиационных ТЭ облучается одна из приемных площадок, находящихся в хорошем тепловом контакте (не электрическом) с «горячими» спаями системы термопар, а вторая площадка, располагаемая обычно позади
208
8 2ч 40 Я,мкм 8 24 Л, мкм
Рис. 7,2. Спектральная чувствительность термоэлементов Г1РТЭ-1 с сурьмяной (а) и золотой чернью (б) для различных образцов:
1—«5 — раА^ые технологии изготовления
первой и находящаяся в контакте с «холодными» спаями, служит ¦ для рассеивания тепла, притекающего к ней по термопарам.
Изготавливать радиационные ТЭ с размером чувствительного элемента более 1 сма и достаточной чувствительностью сложно. Создание термобатарей из большого числа последовательно соединенных термопар повышает чувствительность, но снижает надежность ПИ, а также вызывает большие технологические трудности. Применение анизотропных ТЭ для радиационных ТЭ с большой площадкой повышает надежность и упрощает технологию изготовления.
Анизотропный ТЭ изготавливают из пластинки одного термоэлектрически анизотропного монокристалла. Градиент температуры должен создаваться под углом 45° к одной из кристаллографических осей, относительно которой наблюдается наибольшая анизотропия термо-э, д. с. Возникающая (поперечная относительно градиента температуры) э. д. с. при линейном распределении температуры
ДU -— — (ат и — ат±) (Г — Го) -j-,
где агц и атх — коэффициенты термо-э. д. с. по направлениям, параллельному и перпендикулярному данному кристаллографическому направлению; (Т — Т0) — разность температур; а — длина пластинки; b — высота пластинки в направлении приложенного градиента температуры.
Как видно из формулы, в анизотропном ТЭ э. д. с. определяется отношением а!Ъ. Анизотропные ТЭ обладают большей чувствительностью, чем обычные термопары, и более стабильны и надежны в работе.
