Источники и приемники излучения - Ишанин Г.Г.
ISBN 5-7325-0164-9
Скачать (прямая ссылка):
где С — теплоемкость чувствительного слоя, Дж/град.
В установившемся режиме при d (AT)/dt ~ 0 получим
АТ = Ф/от.
Следовательно, окончательно вольтовая интегральная чувствительность
с ^±ат v ~ 4 ^7 Кп-
Коэффициент ат включает в себя температурное излучение чувствительного слоя и составляющую теплопроводности подводящих проводов. Уменьшают от при помощи вакуумирования (уменьшаются потери на нагрев окружающего воздуха) и за счет тонких соединительных проводов с малой теплопроводностью.
212
Инерционность болометра определяется временем нагрева и охлаждения чувствительного слоя модулированными излучениями:
sv(f) = svJVY^№f,
где Sy„ — интегральная чувствительность болометра при отсутствии модуляции лучистого потока; % — постоянная времени, % = С/от.
/ В качестве материалов для металлических болометров используют платину, никель, золото, для полупроводниковых — сплавы окислов никеля, кобальта, марганца. Металлические болометры часто подсоединяют через трансформаторный вход, так как у них очень малое собственное сопротивление.
V На рис. 7.3, б показано устройство болометра для абсолютных измерений оптического излучения, а на рис. 7.3, в — его приемного элемента. Поток излучения, падающий на чувствительный элемент болометра, поглошается не полностью, часть его отражается. Потери на отражение можно снизить, помещая чувствительный элемент в центр зеркальной полусферы. Поэтому центр чувствительного элемента 8 болометра должен быть совмещен с центром полусферы 7 (рис, 7.3, б). Для того чтобы зеркальная составляющая отраженного излучения не попала на входное отверстие 6 в полусфере, чувствительный элемент должен составить с направлением падающего на него излучения угол 90°±0. Применение зеркальной полусферы уменьшает потери излучения (они связаны с поглощением в отражающем покрытии и с уходом части излучения через отверстия в полусфере). Из-за уменьшения тепловых потерь, связанных с тепловым излучением самого элемента, так как полусфера возврашает обратно большую часть собственного излучения элемента, чувствительность болометра увеличивается.
Чувствительный элемент (рис. 7,3, в) состоит из слоя 9 (сплав висмута со свиниом), напыленного на нитролаковую подложку 13, покрытую сурьмяной или золотой чернью 12. Перед чувствительным элементом устанавливают черненую диафрагму 11, защищающую электроды 10 от попадания на них излучения, а позади него — черненую заслонку 14 для поглощения излучения, прошедшего мимо чувствительного элемента. Рассмотренный болометр работает в области спектра 0,3—20 мкм. Коэффициент поглощения чувствительного элемента составляет 0.996—0,998, интегральная чувствительность такого устройства 0.3 В/Вт, Болометрам присущи тепловой, токовый и радиационный шумы, рассмотренные выше. У металлических болометров преобладает тепловой шум, у полупроводниковых — токовый.
Глубокоохлаждаемые болометры. Пороговый поток идеальных тепловых ПИ определяется флуктуациями температуры чувствительного элемента и флуктуациями падающего на него излучения фона. Пороговый поток наиболее совершенных приемников-боло-метров, термо- и оптико-акустических элементов приближается к идеальному.
213
¦•к-
f
Пороговый поток тепловых ПИ существенно уменьшается при глубоком охлаждении чувствительного элемента, а также при ограничении углового поля и спектрального диапазона прини> маемого излучения с помощью охлажденных диафрагм и фильтров; Глубокое охлаждение практически эффективно лишь для сверхпроводящих и полупроводниковых болометров с достаточно большим ТКС в области низких температур. Кроме того, благодаря значительному уменьшению теплоемкости при низких температурах глубокоохлаждаемые болометры обладают малой тепловой инерционностью.
Выбирая чувствительный элемент с минимальной теплоемкостью или уменьшая флуктуации его температуры» можно получить болометры с малой постоянной времени (до 10”8 с) или с малым пороговым потоком в единичной полосе частот (до 10~14 Вт/Гц1/2). Очевидно, при улучшении одного из этих параметров другой ухудшается, поэтому параметры глубокоохлаждаемых болометров находятся в промежутке между крайними значениями.
Сверхпроводящие болометры обладают большим ТКС в области перехода в сверхпроводящее состояние, малым сопротивлением и узкой температурной областью перехода. При малых постоянных времени и пороговом потоке необходима высокая стабилизация температуры и сложная усилительная аппаратура, что затрудняет эксплуатацию этих болометров.
Полупроводниковые глубокоохлаждаемые болометры имеют большие чувствительность и ТКС в широкой области низких температур.
Болометры из аморфных материалов. Первый глубокоохлаж-даемый полупроводниковый болометр, изготовленный В. С. Бойлом и Ф. Ф. Роджерсом из сердцевины угольного резистора, представлял собой пластину толщиной 0,05 см и площадью 0,2 см2. Сопротивление болометра при комнатной температуре составляло 50 Ом, ТКС up я температуре .2 К ат 2. Чувствительный элемент приклеивали к мейларовой пленке толщиной 25 мкм, наклеенной на медное основание, которое находилось в хорошем тепловом контакте с гелиевой ванной. Эта пленка электрически изолировала чувствительный .элемент от медного основания и служила тепловым сопротивлением. Меняя толщину мейларовой пленки, можно было изменись тсн !.о1!т>ово.цносгь и, следовательно, чувствительность и поото 1» .г'«< 'ос ни. Болометр охл г? ждался до температуры
