Тепловые приемники оптического излучения

В тепловых приемниках оптического излучения (ТПОИ) поглощение потока излучения в чувствительном элементе приводит к появлению в нем температурного поля и, как следствие, к повышению его температуры. При таком изменении термодинамического состояния системы «решетка–электроны» увеличивается энергия электронов, кроме того, изменяются их электрические свойства.

Спектральная чувствительность ТПОИ постоянна в широком спектральном интервале, так как энергия фотонов преобразуется в тепло неселективно (рис. 5.1а).

1. Рис. 5.1

Спектральная чувствительность ТПОИ (а) и схемы включения термоэлементов (б, в):

1 — теоретическая; 2 — экспериментальная.

Для увеличения абсолютной спектральной чувствительности ТПОИ необходимо, чтобы чувствительный элемент поглощал все излучение вплоть до самых больших длин волн так, чтобы повышение температуры было прямо пропорционально полному поглощенному потоку излучения. Для этого чувствительный элемент покрывают тонким слоем черни, приближая условия поглощения излучения к идеальным (как в черном теле, когда поглощается все падающее на него излучение).

На практике спектральный интервал работы ТПОИ [55] ограничен (рис. 5.1а):  — проницаемостью материала приемного элемента и пропусканием окна ТПОИ;  — ростом коэффициента отражения материала приемного элемента, а также материалом окна ТПОИ.

ТПОИ делят на несколько групп: термоэлементы; болометры; оптико-акустические приемники; пироприемники, основанные на изменении поляризации пироактивного кристалла при воздействии на него модулированного потока излучения; приемники на термоупругом эффекте кристаллического кварца (и других пьезокристаллов), основанные на появлении электрической разности потенциалов на приемном элементе из-за термоупругих деформаций при облучении модулированным потоком излучения; калориметры; тепловые преобразователи изображения.

Термоэлементы

Принцип действия термоэлемента (ТЭ) основан на термоэлектрическом эффекте Зеебека, который заключается в появлении термо-ЭДС в цепи, состоящей из двух разнородных по составу проводников, при нагревании падающим потоком излучения места их спая (рис. 5.1б) [54, 55].

При наличии градиента температуры вдоль проводника электроны с горячего конца диффундируют в направлении, обратном температурному градиенту, так как имеют более высокую энергию и скорость, чем на холодном конце. В результате на холодном конце возникает отрицательный заряд, а на горячем — положительный. В полупроводниках это явление выражено еще сильнее, так как ЭДС электронного и дырочного полупроводников складывается. У различных пар материалов значения термо-ЭДС неодинаковы. Для изготовления ТЭ используют различные металлические и полупроводниковые пары материалов. При сравнении пар пользуются удельной термо-ЭДС характеризуемой ЭДС, возникающей при единичном температурном перепаде:

V_т = _тT, (5.1)

где V_т — термо-ЭДС, возникающая при нагреве спая до температуры T; _т — удельная термо-ЭДС ТЭ, численно равная разности потенциалов, возникающей при разности температур горячего и холодного спаев 1 К.

Удельная термо-ЭДС металлических ТЭ достигает 10 мкВ/К, у полупроводниковых ТЭ она значительно выше, так как число носителей с температурой в полупроводнике растет. Металлические ТЭ изготавливают из меди, никеля, висмута, платины, кобальта, алюминия, тантала, серебра, сурьмы, железа, константана (сплава меди и никеля) и т. д. Полупроводниковые — из сурьмы, кремния, теллура, селена. Термоэлемент в простейшем случае работает так (рис. 5.1б): на спай падает поток излучения , он вызывает разность температур T и, как результат, разность потенциалов V_т = _тT. Через сопротивление нагрузки R_н потечет ток, который вызовет противоположный термоэлектрическому эффекту эффект Пельтье: при пропускании тока горячий спай охлаждается. Количество теплоты, отводимое в 1 с от спая, т. е. поток тепловой энергии, определяется как

_т = –_тi, _т = _тT,

где i — ток; _т — коэффициент Пельтье; T — температура проводника, по которому течет ток i.

Следовательно,

_т = –_тTi. (5.2)

Выделением тепла по закону Джоуля–Ленца пренебрегаем из-за малости токов. Тогда общая термо-ЭДС с учетом явлений Зеебека и Пельтье:

V = V_т – V_п, V на U!!!! (5.3)

причем

V_п = _т_т/_т, (5.4)

где _т — полная термическая проводимость спая, Вт/К.

С учетом уравнений (5.1), (5.2), (5.4) получим Эффект Пельтье увеличивает эффективное сопротивление цепи термоэлемента на величину Тогда откуда

где R — сопротивление ТЭ.

Если пренебречь эффектом Пельтье, то интегральная вольтовая чувствительность холостого хода:

S_Uинт  V_т/ = _тT/  _т/_т,

где  — коэффициент поглощения.

При работе с модулированным потоком излучения

S_Uинт = _т/(2fC),

где C — теплоемкость спая, Дж/К.

Для увеличения вольтовой чувствительности надо увеличивать удельную термо-ЭДС _т и уменьшать полную термическую проводимость спая _т: _т увеличивают за счет чернения спая, а _т уменьшают за счет вакуумирования приемного элемента. Кроме того, применяют последовательное включение нескольких ТЭ.

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 изменяется в пределах от 3 до 5 В/Вт, чувствительность полупроводниковых ТЭ — от 30 до 50 В/Вт, постоянная времени металлических — от 0,1 до 2 с, а полупроводниковых — от 0,04 до 0,1 с. Пороговые потоки ТЭ в заданной полосе частот лежат в пределах от 10^–8 до 10^–11 Вт по любому излучателю, так как они неселективны. Основные шумы ТЭ — 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:

_тэ = P/.

Определим оптимальное сопротивление нагрузки для ТЭ, при которой на этом сопротивлении рассеивается максимальная электрическая мощность (работа с гальванометром):

где U_р — рабочее напряжение ТЭ; U_с — напряжение сигнала на сопротивлении нагрузки.

Найдем значение R_н, при котором P = P_max:

Тогда мощность на сопротивлении и КПД:

Обычно величина _тэ не превосходит долей процента 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.

На рис. 5.2 приведены спектральные характеристики ТЭ типа ПРТЭ-1, а в таблице 5.1 — технические параметры.

2. Рис. 5.2

Спектральная чувствительность термоэлементов ПРТЭ-1 с сурьмяной чернью (а) и золотой чернью (б) для различных образцов