4.2. Тепловые ОЭИП

4. 2. 1. Основы построения и классификации тепловых ОЭИП. Поскольку именно ОЭИП выполняет в цепочке оптоэлектрического преоб­разования по существу функцию первичного измерительного преобразователя, в дальнейшем будем пользоваться также принятым нами ранее сокращением ПИП.

Тепловой принцип преобразования состоит в том, что в ПИП происходит как минимум двукратное преобразование энергии, при этом всегда в таком порядке: сначала часть входной оптической энергии в приемном элементе ПИП преобразуется в тепловую, а затем часть тепловой энергии, пропорцио­нальная входной оптической величине, в чувствительном элементе ПИП преобразуется в сигнал измерительной информации, удобный для дальней­шей передачи, преобразования или регистрации. Чаще всего таким сигналом является изменение электрической величины: ЭДС, сопротивления, емкости, частоты и пр. Реже в чувствительном элементе происходит преобразование тепловой энергии в изменение неэлектрических величин, подлежащих изме­рению и регистрации.

При выборе как принципов построения приемных и чувствительных эле­ментов тепловых ПИП, так и характера взаимосвязи этих элементов между собой и оболочкой ПИП, исходят из конкретных требований к свойствам преобразователей. Этот выбор в большинстве случаев определяется тем, для преобразования какого из энергетических параметров будет использовать­ся ПИП: энергии одиночных импульсов или мощности непрерывного либо импульсно-модулированного излучения, каковы уровни этих параметров, их плотность и однородность по сечению пучков, размеры сечений, расходимость, спектральный диапазон излучения, а также каковы требования к селективно­сти, коэффициенту преобразования, временному разрешению или быстродей­ствию, информативной способности, погрешности СИ и т. п.

Классифицировать тепловые ПИП можно по принципам построения их отдельных элементов и характеру взаимосвязи между ними.

Первым в цепи преобразования измеряемой величины является приемный элемент, часто именуемый поглотителем. Рассмотрим некоторые классифика­ционные признаки тепловых ПИП, вытекающие из свойств этого элемента.

По апертуре приемного элемента тепловые ПИП можно условно разделить на узкоапертурные и широкоапертурные, что применительно к лазерно­му излучению характеризует возможность преобразования энергии и мощно­сти при соответственно малых и больших размерах поперечных сечений его пучков.

Широкоапертурные преобразователи обеспечивают измерения энергети­ческих параметров больших пучков лазерного излучения без применения фо­кусирующей оптики, что позволяет избежать дополнительных погрешностей, связанных с ее использованием, и нежелательного увеличения плотности из­лучения на приемной поверхности. Кроме того, при работе с узкими пучками, широкоапертурные приборы позволяют значительно уменьшить объемы юстировочных работ и повысить надежность измерений.

Вместе с тем апертура частично определяет линейные размеры, поверх­ность и массу приемного элемента. От размеров поверхности зависит теплооб­мен с окружающей средой или оболочкой ПИП. С этой точки зрения, для сни­жения порога чувствительности, при измерении слабых потоков излучения, выгодно использовать при равной массе и теплоемкости приемные элементы малых размеров.

От массы приемного элемента может зависеть быстродействие, коэф­фициент преобразования и линейность теплового ПИП. Стремясь увеличить первые два из указанных параметров ПИП, уменьшают его массу. Для этого иногда функции приемного элемента возлагают либо на материал чувстви­тельного элемента, либо на наносимое на него поглощающее покрытие. Та­кие решения характерны, например, для пироприемников, термоэлементов и болометров (о них сказано далее), обладающих высоким быстродействием и большим коэффициентом преобразования. Совмещение приемного и чув­ствительного элементов наблюдается также в некоторых тепловых ПИП, име­ющих постоянную температуру, например, в азотном. Этот ПИП представляет собой приемный элемент переменной массы, в котором часть жидкого азота испаряется в процессе работы.

Иногда оказывается полезным увеличивать массу приемного элемента. Например, в тех случаях, когда при работе с высокими уровнями энергии необходимо уменьшить перегрев приемного элемента и тем самым улучшить его линейность в широком динамическом диапазоне.

Тепловые ПИП с достаточно массивным, конструктивно развитым прием­ным элементом традиционно именуют калориметрами.

По форме приемные элементы ПИП можно разделить на плоские и по­лостные. К последним относятся конические, сферические, цилиндрические, комбинированные (рис. 4. 1).

Рис. 4. 1. Конструкции полостных приемных элементов тепловых ПИП

 

От формы приемного элемента зависит его поглощательная способность, неселективность и стойкость к излучению. Выбор надлежащей формы поз­воляет значительно улучшить эти характеристики, свойственные материалу приемного элемента или поглощающего покрытия, особенно при отсутствии входной оптики. Кроме того, при равных апертуре и толщине, форма опре­деляет линейные размеры, массу и поверхность приемного элемента и ПИП в целом, а следовательно, влияет на его быстродействие, коэффициент пре­образования и пределы динамического диапазона. От формы могут зависеть разбросы значений поглощательной способности и коэффициента преобразо­вания энергетических параметров узкого пучка лазерного излучения в раз­личных зонах приемной поверхности. Например, поглощательная способность конического приемного элемента может увеличиваться от края к вершине конуса, при этом характер ее изменения может зависеть от длины волны излучения. Поскольку распределение мощности или энергии по сечению пучка лазерного излучения неоднородно и в общем случае носит случайный харак­тер, это может приводить к соответствующим погрешностям их измерения. Плоская приемная поверхность может быть лишена этих недостатков. Кроме того, применение зеркально отражающей плоской приемной поверхности поз­воляет реализовать так называемые преобразователи проходного типа на «отражение», в которых поглощается и преобразуется в тепловую лишь небольшая часть энергии или мощности излучения, а остальная часть, от­раженная от приемной поверхности без значительных искажений структуры пучка, может использоваться по своему назначению.

По виду агрегатного состояния материала приемного элемента тепловые ПИП можно разделить на твердотельные и комбинированные. От оптиче­ских, теплофизических и механических свойств материала зависят стойкость, поглощательная способность, коэффициент преобразования, быстродействие и ряд других свойств ПИП.

Обычно в ПИП используются твердотельные, а реже — комбинированные приемные элементы, когда в твердотельной оболочке за прозрачным входным окном содержится газ или жидкость. В таких приемных элементах, обычно называемых объемными поглотителями, излучение поглощается в значи­тельном объеме, благодаря чему они могут без изменения свойств выдержи­вать очень большие лучевые нагрузки. К объемным поглотителям относятся и твердотельные приемные элементы, изготовленные из прозрачных материа­лов. И те, и другие могут быть использованы для создания ПИП проходного типа «на пропускание».

В другом конструктивном решении комбинированного приемного элемен­та, называемого обычно проточным, жидкость используется не как поглоти­тель, а как теплоноситель, принудительная циркуляция которого позволяет интенсивно отводить тепло от воспринимающей излучение твердой приемной поверхности, что облегчает работу с высокими уровнями мощности непрерыв­ного и импульсно-модулированного лазерного излучения. Возможно создание такого прибора и с использованием объемного поглотителя.

Для создания приемных элементов часто используется и комбинация раз­личных материалов, например, металла и диэлектрика или полупроводника. В этом случае применение металла может обеспечить получение требуемых механических, теплофизических и частично оптических свойств приемного элемента, а использование других материалов, например, в качестве поглоща­ющих покрытий — требуемых оптических свойств.

Из сказанного видно, что свойства приемных элементов тесно перепле­таются между собой. Например, апертура и форма связаны с массой и т. п. Поэтому при создании теплового ПИП, в зависимости от конкретных требова­ний к его свойствам, приходится комплексно решать задачи выбора апертуры, формы, массы и материала приемного элемента, т. е. необходим оптимизаци­онный синтез преобразователя. Нельзя не отметить такую важную конструк­тивную особенность большинства приемных элементов тепловых ПИП, как электрический нагреватель, позволяющий проводить электрическую градуи­ровку преобразователей методом замещения. Часто этот нагреватель стремят­ся расположить таким образом по телу приемного элемента, чтобы характер температурных полей последнего при электрическом и оптическом воздей­ствиях был по возможности одинаковым.

Классифицируя ПИП по свойствам чувствительного элемента, а имен­но, по виду выходного сигнала измерительной информации, в который пре­образуется тепловая энергия, выделенная в приемном элементе, их следует разделить на преобразователи с электрической или неэлектрической выход­ной величиной.

В свою очередь, чувствительные элементы с электрической выходной ве­личиной делятся на термоэлектрические, термометры сопротивления, емкостные. В термоэлектрических чувствительных элементах использует­ся эффект возникновения термо-ЭДС между холодным и нагретым спаями разнородных металлов и полупроводников. Термоэлектрические чувствитель­ные элементы могут быть односпайными (термопары) и многоспайными, т. е. образовывать при последовательном включении термопар так называемые термобатареи, что, соответственно, обеспечивает увеличение................ Кпр ПИП. Тер­моэлектрические чувствительные элементы могут быть металлическими и по­лупроводниковыми, проволочными и пленочными.

По общеизвестной классификации ПИП с термоэлектрическим чувстви­тельным элементом, имеющие в качестве выходной величины ЭДС, принад­лежат к группе генераторных и не требуют включения в состав ПИП источни­ков питания. В случаях, когда термобатарея непосредственно воспринимает оптическое излучение и практически отсутствует конструктивно развитый приемный элемент, ПИП называют термоэлементами.

В чувствительных элементах типа термометров сопротивления выход­ной величиной является изменение электрического сопротивления. Поэтому ПИП с использованием термометров сопротивления принадлежат к группе параметрических и требуют включения в состав ПИП или соответствующей измерительной схемы источников питания.

Термометры сопротивления могут быть также проволочными и пленочны­ми. Их преимущество по сравнению с термобатареями состоит в том, что они могут обеспечить контакт с телом приемного элемента в большом количестве точек.

В тех случаях, когда термометр сопротивления непосредственно воспри­нимает оптическое излучение и практически отсутствует конструктивно раз­витый приемный элемент, ПИП называются болометрами.

В емкостных чувствительных элементах в общем случае используется зависимость от температуры диэлектрической постоянной вещества, распо­ложенного между обкладками конденсатора, что приводит к изменению его емкости при нагреве оптическим излучением одной из обкладок. В качестве диэлектриков обычно используют пироэлектрики, в которых под воздействи­ем переменной температуры изменяется спонтанная поляризация (пироэлек­трический эффект). На выходе такого чувствительного элемента появляется ЭДС, поэтому ПИП с пироэлектрическими чувствительными элементами от­носятся к группе генераторных. Более того, они обязательно требуют, чтобы входное излучение было изменяющимся во времени (частотная последователь­ность или однократный импульс).

Обычно проектируют ПИП с пироэлектрическим чувствительным элемен­том практически без приемного элемента, стараясь, чтобы все излучение по возможности воспринималось поверхностью самого пироэлектрика с тонким, прозрачным для излучения напыленным электродом. Такие ПИП называют пироприемниками.

Емкостные чувствительные элементы могут быть созданы и с использова­нием пьезоэффекта, возникающего в сегнетоэлектрике при его механических деформациях в результате нагрева оптическим излучением.

Реже в тепловых ПИП используются чувствительные элементы, в которых тепловая энергия вызывает изменения неэлектрических величин. Эти чув­ствительные элементы могут быть построены на таких эффектах, сопровож­дающих поглощение тепла, как увеличение линейных размеров тела, объема газов, жидкостей и твердых тел, давления газов и жидкостей, изменение агрегатного состояния и объемного соотношения фаз (например, таяние льда), уменьшение массы (например, испарение жидкого азота). В повседневной измерительной практике ПИП с такими чувствительными элементами (кало­риметрами) используются довольно редко, поэтому здесь не рассматриваются.

Следующий важный момент, характеризующий принцип построения ПИП, — узел взаимосвязи чувствительного и приемного элементов. От конструктивного решения этого узла во многом зависят такие свойства ПИП, как.............. Кпр и быстродействие. Так, для получения больших коэффициента преобразования и быстродействия стремятся к достижению наилучшего теплового контакта между приемным и чувствительным элементами, а в предельном случае — к их совмещению. Последнее реализовано, например, в термоэлементах, болометрах и пироприемниках.

Одной из важных характеристик ПИП является разброс локальных значений Кпр по всей воспринимающей излучение поверхности приемного элемента, часто именуемый зонной характеристикой (ЗХ). Это свойство ПИП также зависит от выбранного конструктивного решения рассматриваемого узла. Для уменьшения разброса чувствительный элемент (спаи термобатареи, тело термометра сопротивления) равномерно (или по определенному закону) распределяется по поверхности приемного. При этом обычно стремятся к минимальному и равномерному термическому сопротивлению между ними по всей поверхности контакта. При таких конструктивных решениях в ПИП, работающих в импульсном режиме (измерение энергии), приемный элемент в момент достижения выходным сигналом регистрируемого значения (обычно максимального напряжения) находится в неустановившемся режиме, когда его температурное поле еще не зависит от характера распределения по прием­ной поверхности энергии воздействующего на нее излучения (иррегулярный режим). В этом случае с помощью равномерно распределенного чувстви­тельного элемента осуществляется интегрирование значений температуры в различных точках поверхности приемного элемента, что и обеспечивает пропорциональность выходного и входного (энергия излучения) сигналов, независимо от характера температурного поля приемного элемента. Кроме того, такого рода ПИП могут характеризоваться большим Кпр, но требуют высокого уровня развития технологии их изготовления. Частным случаем та­ких ПИП являются термоэлементы и болометры. Равномерность ЗХ особенно важна в СИ параметров лазерного излучения, так как в большинстве случаев лазеры используются в режиме генерации многомодового излучения, при котором пространственно-энергетическая характеристика пучка излучения является сложной функцией координат и времени, а сечение пучков может достигать внушительных размеров.

Практически более высокой точности можно добиться при других решени­ях узла взаимосвязи чувствительного и приемного элементов, например, вводя некоторое термическое сопротивление между ними и, тем самым, увеличивая время (задержку) между начальным тепловым воздействием на приемный элемент и получением выходного сигнала. В этом случае можно добиться, что за время задержки тепловой режим приемного элемента перейдет в стадию, близкую к регулярному режиму первого рода, т. е. его температурное поле практически не будет зависеть от начального распределения тепла по прием­ной поверхности, и выходной сигнал ПИП практически не будет зависеть от этого распределения даже при произвольном расположении чувствительных элементов по поверхности приемного.

Такое решение позволяет добиться более высокой точности ПИП, избежав усложнения технологии его изготовления. При этом несколько уменьшаются.............. Кпр и быстродействие.

В некоторых случаях в рассматриваемом узле взаимосвязи чувствительно­го и приемного элементов могут происходить промежуточные преобразования энергии. Примером может служить оптико-акустический ПИП, в котором тепловая энергия преобразуется сначала в изменение неэлектрической вели­чины — увеличение объема газа, приводящее к прогибу мембраны, которая является в то же время обкладкой конденсатора, и ее деформация изменяет электрическую емкость последнего.

Если совокупность приемного и чувствительного элементов с узлом их взаимосвязи рассматривать как преобразовательный элемент, то по ко­личеству таких элементов тепловые ПИП можно, во-первых, разделить на одинарные и двойные.

До сих пор рассматривались одинарные ПИП. В двойном имеются два преобразовательных элемента, каждый из которых, как говорилось ранее, со­стоит из приемного и чувствительного элементов (существо дела не меняется, если функции приемного и чувствительного элементов выполняет только чув­ствительный элемент), при этом последние включены по дифференциальной схеме. Один преобразовательный элемент (называемый обычно рабочим) находится под воздействием излучения, а другой — экранирован и использует­ся, например, как компенсационный. Этим может быть достигнуто снижение уровня шумов и порога чувствительности ПИП, т. е. расширение его рабочего диапазона в сторону малых уровней энергии или мощности излучения. Кроме того, применение двойных ПИП расширяет возможности выбора методов измерения этих параметров.

Во-вторых, продолжая классификацию тепловых ПИП по количеству преобразовательных элементов, можно выделить группу преобразователей, име­ющих составные рабочие преобразовательные элементы, каждая отдельная составная часть которых имеет собственный приемный и чувствительный элементы и работает независимо от других. Эти отдельные составные части 'ложного преобразовательного элемента могут отличаться друг от друга как по форме, так и по расположению в пространстве. Например, в некоторых высокоточных преобразователях расположение и форма этих отдельных частей таковы, что их ансамбль образует полость с высокой поглощательной способностью, а в преобразователях для измерения распределения энергети­ческих параметров в сечении больших пучков излучения — составную панель больших размеров и др. При этом ПИП с составными преобразовательными элементами могут быть комбинированными, т. е. иметь в качестве отдельных составных частей наряду с калориметрами и термоэлементы, болометры и эле­менты, построенные на нетепловых физических принципах преобразования (например, фотоэлектрические). Кроме того, ПИП с составными преобразова­тельными элементами могут быть двойными, когда чувствительные элементы идентичных составных частей соединяются попарно по дифференциальной схеме.

В классификации ПИП следует отразить и характер взаимосвязи прием­ного и чувствительного элементов с оболочкой ПИП и окружающей средой. Эта тепловая связь может быть слабой или сильной. Слабая тепловая связь способствует уменьшению тепловых шумов и повышению коэффициента пре­образования и используется при создании ПИП для слабых потоков излуче­ния. При этом, стремясь к ослаблению связи, используют вакуумирование полости между приемным элементом и оболочкой. Примером могут служить вакуумные термоэлементы и болометры.

Сильная тепловая связь свойственна ПИП, предназначенным для преобра­зования средних и высоких уровней излучений, так как она обеспечивает стоки больших количеств тепла и предохраняет приемные элементы от чрезмерных перегревов и разрушений. Другое следствие сильной связи — увеличение быстродействия преобразователей. Стоки можно разделить на активные и пассивные. Пассивные стоки обеспечивают отвод тепла от приемного эле­мента к оболочке и в окружающую среду теплопроводностью по его телу, телу чувствительного элемента и воздуху, а также за счет естественной конвек­ции и излучения. Активные стоки обеспечиваются за счет принудительной циркуляции жидкости или воздуха. Примером могут служить проточные калориметры, калориметры стержневого типа с охлаждаемым торцом и т. п.

Взаимосвязь приемного элемента с оболочкой и окружающей средой мож­но классифицировать и по другим признакам, например, как переменную или постоянную во времени. Последняя характерна, например, для ледяного ПИП, у которого температура приемного элемента, а следовательно, и его теплооб­мен с оболочкой и окружающей средой не изменяются в процессе поглощения тепла, а меняется лишь суммарный объем двух фаз агрегатного состояния чувствительного элемента за счет изменения соотношения их масс. В азотном ПИП при постоянстве температуры его приемного (он же и чувствительный) элемента происходит тепломассообмен последнего с окружающей средой при испарении части его материала. При этом интенсивность массообмена связана с интенсивностью теплового воздействия. Преобразователи двух последних типов часто называют изотермическими.

Наконец, классифицировать ПИП можно по типу оболочки и ее связи с окружающей средой. Здесь следует отметить, что оболочки могут быть теплоемкими, сглаживающими колебания температуры окружающей средь за счет высокой теплоемкости; теплоизолирующими, приводящими к аналогичному результату за счет большого термического сопротивления (пористые вакуумированные и др. ); комбинированными, т. е. имеющими теплоемки и теплоизолирующие элементы.

В перечисленных типах оболочек использована пассивная термостаби­лизация приемного и чувствительного элементов ПИП. Однако эта задача может решаться активной термостабилизацией, например, с использованием термостатированной жидкости, тающего льда, жидкого азота и гелия. В этом случае решается задача не только сглаживания колебаний температуры, но и поддержания ее на определенном уровне.

Преобразователи на жидком азоте или гелии, называемые глубокоохлаждаемыми, используются для измерения сверхмалых уровней излучения. Глу­бокое охлаждение позволяет существенно снизить шумы ПИП и тем самым уменьшить порог чувствительности, а также увеличить быстродействие пре­образователя за счет снижения теплоемкости. К ПИП этого типа относятся полупроводниковые охлаждаемые и сверхпроводящие болометры.

Оболочки по форме можно разделить на замкнутые и незамкнутые. К за­мкнутым относят оболочки, наиболее полно охватывающие приемные и чув­ствительные элементы ПИП и имеющие входное окно для ввода излучения, закрытое кварцевой, сапфировой, германиевой или другой пластиной, обес­печивающей пропускание излучения в требуемом спектральном диапазоне. Замкнутые оболочки характерны для преобразователей малых уровней энер­гетических параметров излучений. Естественно, только такие оболочки мо­гут иметь вакуумные термоэлементы и болометры. В этом случае оболочка должна быть не только замкнутой, но и вакуумно-плотной. Недостаток этих оболочек — ограничение спектрального диапазона полосой пропускания вход­ного окна, а также дополнительные погрешности, связанные с селективностью ПИП в рабочем спектральном диапазоне. К незамкнутым относятся оболочки, имеющие открытое окно, а также не полностью охватывающие приемный и чувствительный элементы и в предельном случае прикрывающие их лишь с одной стороны. Такие решения обычно используются лишь при создании преобразователей энергетических параметров излучений средних и больших уровней.

Подведем итоги. Поскольку все тепловые ПИП сначала воспринимают оптическую мощность или энергию, прогреваются и далее рассеивают тепло в окружающую среду, вырабатывая измерительный сигнал, пропорциональ­ный тепловому потоку, в принципе они являются калориметрами. Однако, как указывалось выше, в литературе сформировались устойчивые названия ПИП, ассоциируемые обычно с некоторой совокупностью характерных признаков, свойственных ПИП определенных типов.

По традиции в дальнейшем будем называть калориметрами те ПИП переменной температуры, которые имеют достаточно развитый, не объединен­ный с чувствительным приемный элемент, а также ПИП постоянной темпера­туры. СИ на их основе, обычно довольно инерционные приборы, используются для измерения усредняемых во времени энергетических параметров лазерно­го излучения, таких как энергия и средняя мощность. Они могут работать в очень широком спектральном и динамическом диапазонах, в высокоинтен­сивных потоках лазерного излучения. В них могут быть достигнуты наиболее высокие точности измерений. Калориметры могут градуироваться с помощью электрической мощности или энергии методом замещения.

Термоэлементами будем называть тепловые ПИП, имеющие термоэлек­трический пленочный или проволочный чувствительный элемент, одновре­менно выполняющий функции приемного, а также ПИП, в которых роль приемного элемента выполняет лишь поглощающее покрытие. Термоэлементы по сравнению с калориметрами обладают обычно более высокими коэффици­ентом преобразования и быстродействием. Приемно-чувствительный элемент этих приборов часто помещают в вакуумированную оболочку. В этих случаях термоэлементы называются вакуумными. Последние обычно используются в СИ более слабых потоков излучения.

Болометрами традиционно называются как проволочные, так и пленоч­ные термометры сопротивления, которые либо непосредственно, либо через поглощающее покрытие воспринимают излучение. Они могут иметь достаточ­но высокое быстродействие и использоваться для преобразования еще более слабых потоков излучения, чем термоэлементы. Часто используются вакуум­ные болометры. Глубокоохлаждаемые болометры, работающие при темпера­турах жидкого азота и гелия, используют для измерения сверхмалых потоков излучения или достижения высокого временного разрешения.

Наконец, пироприемниками называют такие ПИП, у которых матери­алом приемного элемента, воспринимающим излучение, служит сегнетоэлек-трик или нанесенное на него поглощающее покрытие. Пироприемники также могут обладать высокими быстродействием и коэффициентом преобразова­ния, а при соответствующей форме приемной поверхности — неселективно­стью. Следует также отметить, что разработаны конструкции пироэлектри­ческих ПИП, градуируемых методом замещения оптической мощности или энергии электрической мощностью или энергией.

Проведенный анализ позволяет представить классификацию тепловых ПИП в виде рис. 4. 2, в котором нашли отражение все перечисленные основные классификационные признаки рассматриваемых ИП [26].

Опишем более подробно принципы действия, основные свойства и пара­метры термоэлементов, болометров и пироприемников.

4. 2. 2. Термоэлектрические ОЭИП. В этой главе мы не будем более подробно останавливаться на калориметрах, поскольку ОЭИП этого типа нашли преимущественное применение при измерении энергетических вели­чин, характеризующих лазерное излучение, и в соответствующем разделе книги им будет уделено внимание. Здесь же мы познакомимся с группой термоэлектрических ОЭИП, которые в классификационной таблице названы термоэлементами.

Наиболее типичными представителями термоэлементов являются термо­парные ОЭИП. Принцип действия термопары основан на эффекте Зеебека и хорошо известен из курса физики. Коэффициенты Зеебека для спаев раз­личных металлов достигают нескольких микровольт на градус Цельсия при комнатной температуре, и лишь в термоспаях висмут-сурьма имеет место максимум порядка 100 мкВ/°С.

В целях повышения Кпр определенное количество термопар соединяются последовательно, образуя термобатарею. Схема включения термоэлемента предельно проста: рабочий спай термопары или термобатареи находится в теп­ловом контакте с чувствительным элементом ОЭИП, поглощающим падаю-Щее на приемную площадку излучение, а так называемый холодный спай выдерживается при определенной температуре (например, в сосуде с тающим льдом) и называется опорным или референтным. Возникающая термо-ЭДС, являющаяся выходной величиной, измеряется микровольтметром; она пропорциональна разности температур между спаями, а коэффициентом пропор­циональности служит коэффициент Зеебека.

Основные процессы в любом термоэлектрическом ОЭИП подчиняются законам термодинамики. Коэффициент преобразования термоэлемента зави­сит от трех параметров: коэффициента Зеебека, излучательной способности поглотителя и теплопроводности подводящих проводов, соединяющих спаи между собой и с микровольтметром.

Излучательная способность поглотителя вносит наиболее существенный «термодинамический вклад» в Кпр, так как любой хороший поглотитель об­ладает высокой излучательной способностью. Более того, чем выше коэффи­циент поглощения приемной поверхности, тем выше температура поглотителя при той же оптической мощности, что приводит к увеличению Кпр при данном значении коэффициента Зеебека.

Наоборот, высокая теплопроводность снижает Кпр, так как энергия рас­сеивается, не достигая чувствительного элемента. Ослабления этого эффекта добиваются использованием проводников с малой теплопроводностью для присоединения к рабочему спаю термоэлемента, но при этом возрастает элек­трическое сопротивление, что ведет к уменьшению............ Кпр. Единственно пра­вильным решением, оптимизирующим конструкцию термоэлемента по кри­терию экстремума Кпр, является обеспечение «равновесия» между тепловой и электрической проводимостями путем уменьшения первой из них и увели­чения второй.

Следующим термодинамическим фактором, снижающим Кпр, является теплоемкость поглотителя, поскольку с ее увеличением возрастает энергия, требуемая для возрастания температуры до требуемого уровня. Уменьшение ■ теплоемкости достигается сокращением массы поглотителя.

Таким образом, увеличение Кпр термоэлемента требует выбора матери­алов с предельно возможным значением коэффициента Зеебека (например, спай висмут-сурьма), увеличения излучательной способности поглотителя (к примеру, путем его чернения), минимизации теплопроводности подводящих проводов и массы поглотителя. Однако не следует при этом забывать о других параметрах ОЭИП.

Например, уменьшение теплопроводности сокращает возможности работы термоэлемента с модулированным излучением, так как препятствие на пути стока тепла затрудняет охлаждение чувствительного элемента в промежут­ках между импульсами, поскольку оно может осуществляться в этом случае преимущественно излучением. Кроме того, увеличение сопротивления схемы приводит к возрастанию джонсоновского шума и соответствующему уменьше­нию обнаружительной способности, что имеет значение для термоэлемента, работающего в режиме детектирования слабых сигналов.

Как правило, термоэлементы имеют невысокие значения................ Кпр. Однако использование в чувствительных элементах термобатарей позволяет частично преодолеть этот недостаток, но при этом увеличивается инерционность ОЭИП из-за возрастания теплоемкости, порождаемого увеличением числа рабочих спаев. Здесь на помощь приходят термобатареи с рабочими спаями, изготов­ленными из тонкопленочных полупроводниковых материалов.

4. 2. 3. Болометрические ОЭИП. В отличие от термоэлемента, выход­ной величиной болометра служит изменяющееся под воздействием измерявмой оптической мощности электрическое сопротивление. Измерительная схе­ма обычно представляет собой ординарный мост (мост Уинстона). Здесь также падающий лучистый поток преобразуется поглотителем в тепло, воздействую­щее на включенный в плечо моста резистор. В современных болометрических ОЭИП в противоположные плечи моста включаются по одному идентично­му поглощающему резистору, но один из них экранируется от измеряемого лучистого потока, чем достигается независимость в определенных пределах выходной величины болометра от изменений температуры.

Все шире распространяются термисторы, основу которых составляют не чистые металлы типа платины или никеля, а оксиды никеля, магния, кобальта, имеющие более низкую теплоемкость и более высокий температурный коэф­фициент сопротивления. Например, при комнатной температуре у металлов этот коэффициент равен ~ 0, 005/°С, а у термисторов — 0, 06/°С, т. е. на порядок выше. Как видно, термисторы являются полупроводниками, и их тем­пературный коэффициент сопротивления отрицателен. Все чаще болометры изготавливаются из Ge, Si, AsSe₃. К примеру, болометры из Ge достигают при гелиевых температурах (< 4 К) потенциальной обнаружительной способности в спектральном диапазоне от 5 до 100 мкм.

Криогенные температуры способствуют улучшению ряда характеристик и параметров болометров: увеличивается температурный коэффициент сопро­тивления, уменьшается теплоемкость, подавляются источники зависящих от температуры шумов (в частности, джонсоновского шума). Более того, сверх­низкие температуры существенно увеличивают сопротивление полупроводни­ковых болометров, что облегчает условия их согласования с электронными схемами.

Возможность работы болометрических ОЭИП и детекторов при криоген­ных температурах позволила создать сверхпроводящие болометры. Они работают при температурах перехода полупроводников, когда при изменении температуры их сопротивление меняется скачкообразно и благодаря этому существенно увеличивается Кпр, и снижается порог чувствительности.

Однако серьезным недостатком сверхпроводящих болометров является необходимость строгого контроля и стабилизации их рабочей температуры во избежание нежелательных отклонений сопротивления от номинала.

В последние годы разработаны высокотемпературные сверхпроводящие материалы для болометров, в частности, бариево-медный оксид иттрия.

4. 2. 4. Пироэлектрические ОЭИП. Одним из распространенных и перспективных ОЭИП тепловой группы является пироэлектрический преобразователь, в котором чувствительным элементом служит ферроэлек-трический поглотитель падающего потока излучения. Ферроэлектрические материалы обладают постоянным внутренним дипольным моментом. Это означает, что атомные диполи вещества имеют предпочтительное направление электрической поляризации даже в отсутствие внешнего приложенного к материалу электрического поля.

При любой температуре ниже точки Кюри внутренняя поляризация фер-роэлектрика никак себя не проявляет на поверхности, поскольку ее влияние компенсируется свободными носителями зарядов внутри или вне материала, мигрирующими к поверхностям. Изменения температуры вызывают соот­ветствующие изменения поляризации, порождающие подлежащие измерению вариации поверхностного заряда. В сочетании с подходящей электронной схемой такой чувствительный элемент образует пироэлектрический ОЭИП, выходной величиной которого являются электрический ток или напряжение, пропорциональные скорости изменения температуры. Интенсивность выход­ного сигнала такого ОЭИП непосредственно зависит от площади приемной поверхности поглотителя, пироэлектрического коэффициента dP/dT (Ρ — поляризация, Τ — температура) и сопротивления нагрузки.

Все рассмотренные в предыдущих двух пунктах термодинамические фак­торы (излучательная способность, теплоемкость, теплопроводность) влияют на пироэлектрический ОЭИП аналогично их влиянию на термоэлементы и бо­лометры.

Преобразователи этого типа не реагируют на неизменн

⇐ Предыдущая9101112131415161718Следующая ⇒

Поделиться:

Воспользуйтесь поиском по сайту: