Источники и приемники излучения - Ишанин Г.Г.
ISBN 5-7325-0164-9
Скачать (прямая ссылка):
На рис. 7.3, а показана конструкция одной приемной анизотропной ячейки. Три и более таких последовательно включенных элементов-ячеек могут объединяться в блок. Чувствительный элемент анизотропного ТЭ изготавливают из медной фольги 2 толщиной около 0,02 мм, покрытой камфорной чернью 1, а анизотропный элемент выполнен у данного ТЭ из монокристалла
8 F. У. Ишйнян и др.
209
6)
Рис, 7.3. Устройство чувствительной ячейки анизотропного термоэлемента fa), болометра для абсолютных измерений (6) и его чувствительного элемента (е)
сурьмянистого кадмия 5, приклеенного хорошо отводящим тепло слоем 3 на массу 4.
В последние годы разработаны ТЭ на основе экструзированных полупроводниковых материалов (ТЭ конструкции Шварца), Полупроводниковые штыри таких ТЭ изготавливают из экстр узированных материалов с малым сечением. Для отрицательной ветви ТЭ используют твердый раствор Ва2Т13 и Bi2Sb3, для положительной — твердый раствор В!аТ33 н Sb2Tl3.
§ 7.2. Болометры
Принцип действия болометра основан на изменении электрического сопротивления полупроводника или металла под действием падающего на него лучистого потока при изменении его температуры.
Чувствительный слой болометра выполняют обычно в виде металлической или полупроводниковой пленки, представляющей собой термосопрогивление.
Конструктивно чаще всего болометр содержит два термочувствительных сопротивления, одно из которых облучается лучистым потоком, а второе — компенсационное — компенсирует изменение температуры внешней среды.
Простейшим болометром может служить металлическая лента, температура и сопротивление которой при облучении лучистым потоком меняются:
R ~ R0 [1 + ат (Т — Г0)1,
где R0 — сопротивление проводника при температуре Т0; ат — температурный коэффициент сопротивления.
Изменение сопротивления составит
AR = RttaT АТ, (7.5)
откуда относительное изменение сопротивления
AR/R = ат АТ.
210
Температурный коэффициент сопротивления (TKQ для металлов обратно пропорционален температуре в широком диапазоне температур: ат = 1/Т. Для комнатной температуры (300 К) ат = 1/300 — 0,0033 град-1.
Сопротивление полупроводников R в некотором ограниченном диапазоне температур изменяется по экспоненциальному закону:
__5_\
>1 Т Те )¦
R = /?0е (7,8)
/в___в_\
AR - R0^'T Т°1 (- Д7\ (7.7)
где R0 — сопротивление полупроводника при Т0\ В = 3000 К; А/? — изменение сопротивления полупроводника при изменении его температуры на Д7\
Поделив уравнение (7.7) на (7.6), получим
-^-«-|5- = _-?-ДГ = атпЛ7\ (7.8)
так как # незначительно отличается от R0-
Для большинства полупроводников атп = —3000/Г2.
Таким образом, у полупроводников ТКС отрицателен, а его абсолютное значение больше, чем у металлов. При комнатной температуре (300 К) ТКС полупроводника ахп — —3000/300* « ж —0,033 град"1, т. е. на порядок больше, чем у металлов. Поэтому полупроводниковые болометры обладают большей чувствительностью, чем металлические. Схемы включения болометров аналогичны схемам включения ФР (см. рис. 4.5).
Поток излучения, регистрируемый болометрами, обычно модулируется, так как постоянная времени болометров намного меньше, чем у ТЭ. Это позволяет использовать усилители переменного тока. Определим абсолютное значение приращения сигнала на нагрузке Ra при облучении болометра по схеме его включения, аналогичной схеме включения ФР (см. рис. 4.5, а). Ток в цепи болометра
1 = VJ(R + RH), (7.9)
где Vn — напряжение питания.
При облучении болометра потоком излучения ДФ изменится его сопротивление и, следовательно, ток в цеик Продифференцировав выражение (7,9), получим приращение тока
А! = —VabR/(R + Ян)*-
Преобразуем, учитывая, что AR/R = ат AT, m выражения (7.8):"
Л/- - V г, a_•
' (Л 4 ~~ г (R-rRj4 ’
W'-AIR^-V^T-ggfor.
8* 41
t
По аналогии с предыдущим можно найти значение сопротивления нагрузки при работе болометра с усилителем для максимальной интегральной вольтовой чувствительности, которая возможна при RH = R.
При работе болометра с гальванической системой регистрации RB выбирают исходя из максимальной рассеиваемой на R„ электрической мощности АР,
АР = ДIAVa = Vlat- AT2 .
Продифференцируем полученное выражение
d А/5 _ mr,2 1, D! (Я + ^н)4 Ян4 (R ~Ь Ra)3 _п -д^-= V„aT^J К ------------(к-гщ»¦--------=- 0,
откуда сопротивление нагрузки при ДРтах
R + ?H~4?H = 0; Rn = R/3. '
При мостовой схеме включения мост предварительно баланси--руют; RiRiii = RzRe.- Облучение вызывает разбалансировку моста и появление сигнала на сопротивлении R„. Одновременное изменение и R&, из-за колебаний внешней температуры не нарушает разбалансировку моста. Мост питается переменным (от сотен До тысяч гери) или постоянным напряжением. При питании переменным напряжением сигнал усиливается на частоте питающего напряжения, а затем, после детектирования, — на частоте модуляции.
Основные параметры болометров — интегральная чувствительность, постоянная времени и пороговый поток. При работе болометра с усилителем максимальная интегральная вольтовая чувствительность при RB — R
Sv - V'h/Ф = аТ ATVJ[4(S>).
Из уравнения состояния чувствительного слоя болометра Cd {АТ)!At + от АТ = Ф,
