Источники и приемники излучения - Ишанин Г.Г.
ISBN 5-7325-0164-9
Скачать (прямая ссылка):
Чтобы понять возникновение разности потенциалов на электродах приемного элемента при его облучении и правильно выбрать тип среза, рассмотрим явления, возникающие в кварце при его деформации.
В первом приближении можно представить атомы кремния и кислорода кварца Si02 расположенными в шестигранных ячейках. Если для упрощения каждую пару атомов кислорода, расположенную над атомами кремния или под ними, рассматривать как один атом кислорода с четырьмя зарядами, то получим ячейку. Если сжать такую ячейку в направлении полярной оси, то атом кремния вклинится между атомами кислорода, атом кислорода — между атомами кремния. Вследствие этого на поверхности появится отрицательный, а на противоположной — положительный заряды. Это явление называют продольным пьезоэлектрическим эффектом.
Если деформировать ячейку в направлении, перпендикулярном к оси X, атомы кремния и атомы кислорода сместятся внутрь на одинаковое расстояние, и на электродах заряды не появятся, а на концах полярной оси X вновь возникнут заряды, однако со знаками, противоположными бывшим ранее, так как атомы кремния и атомы кислорода смещены наружу. В этом случае говорят
о поперечном пьезоэффекте.
При замене сжатия растяжением знаки зарядов меняются на обратные. При механическом воздействии в направлении оси Z несимметричное смещение несущих заряды частиц отсутствует вовсе
228
Максимальные электрические заряды возникают при механическом воздействии на концах полярной оси, поэтому необходимо вырезать пластинку для приемника на термоупругом -'ффекте так, чтобы пара плоскостей была перпендикулярна к полярной оси, а ребро — параллельно полярной оси X. Это пластинка с так называемым Х-срезом.
Такая пластинка обладает следующими свойствами: при сжатии в направлении X на обеих нормальных к ней поверхностях возникают соответственно положительный и отрицательный электрические заряды (прямой продольный пьезоэффект); при растяжении в направлении оси Y на поверхностях возникают заряды тех же знаков (прямой поперечный пьезоэффект); этот эффект и вносит основной вклад в появление разности потенциалов в приемнике; при растяжении в первом случае и сжатии во втором заряды на поверхности меняют свои знаки на обратные; сжатие и растяжение по оси Z не вызывают пьезоэлектрического эффекта.
Линейность амплитудной характеристики термоупругого элемента в значительной степени зависит от постоянства его пьезокоэффициентов (du, (1Ы и т. д.). Кварц в этом отношении сохраняет значение ггьезокоэффициеита du с погрешностью до 0,1% вплоть до давлений 0,035 Па. При понижении температуры от комнатной до —192 °С dn изменяется не более чем на 2%. При температурах выше комнатной dtl остается почти постоянным до 200 °С, а затем постепенно уменьшается, обращаясь в нуль при Т = 579 °С. При понижении температуры он вновь появляется при Т = 576 °С. Пьезомодули кварца равны: dn = 6,9 X X 10-8 см!/2- т~1/2- с; d14 — —2- 10~8 см^2- г~1?2-с.
Чувствительность и частотные свойства ПТЭК при гармоническом воздействии лучистого потока. В рассматриваемом случае предполагают, что на приемник, представляющий собой однородное полупространство, падает синусоидально-модулированный неограниченный и равномерный поток излучения. Считаем, что теплофизические характеристики кварца не меняются, а приемный электрод пренебрежимо мало влияет на частотные свойства приемника. Это вполне справедливо для толщин приемного электрода, не больших 0,1 мкм.
При использовании перечисленных допущений дифференциальное уравнение теплопроводности для неограниченного полупространства примет вид и будет одномерным:
Су dv/dt X d2v/dx2;) dvldt ~ ad^v/dx*, j (^-Ю)
где v = v (x, t) — нестационарное одномерное тепловое поле полупространства; i — время, с; л; — координата; С — удельная теплоемкость, Дж/(г-град); у— плотность, г/см3; % — коэффициент теплопроводности, Дж/(см-с-град); а = Х/(сК) — коэффициент температуропроводности, см“/с.
229
Для решения уравнения теплопроводности необходимо использовать граничные условия второго рода, т. е, задается тепловой лоток через любую точку поверхности тела: входящий тепловой поток — через облученность Е и коэффициент поглощения kn, а выходящий — через среднюю мощность излучения. Ввиду емкостного характера приемника интересна только нестационарная составляющая теплового поля; при задании граничных условий
для уравнения (7.10) [и (0, t) = Umax cos cot 1 она равна
v (х, t) =-- Ощзх cos (2nft — yrnf/axl x) e~ ,a"x, (7.11)
где an — коэффициент температуропроводности кристаллического кварца б направлении, перпендикулярном к оптической оси Z, см2/с; f — частота модуляции лучистого потока. Гц.
Из теории теплопроводности известно, что при одномерном поле связь между удельным тепловым потоком q и температурой на поверхности при гармоническом воздействии будет
q = ?ш«х cos (2nft), (7.12)
Такое представление правомерно, так как приемник не реагирует на постоянную составляющую теплового поля, а модулятор лучистого потока преобразует стационарный поток в нестационарный со сложным спектром отдельных гармонических составляющих. Так как коэффициент преобразования и спектр зависят от конкретного типа модулятора, то целесообразно рассматривать отдельную гармоническую составляющую потока излучения.
