2. Болометрическиематрицы

1. Принципдействияихарактеристикитепловыхприемниковизлучения

Тепловыеприемникиизлучения(ТПИ)былиразработаныдоста-точнодавно[8.3–8.6],нодонедавнеговремениимелидостаточноуз-коеприменениевосновномиз-затакихтрудносовместимыхпарамет-ров,какхорошиепороговыехарактеристики(иливысокаячувствительность)ивысокоебыстродействие.Однаковпоследнеевремякнимвновьпроявленповышенныйинтересвсвязиссовершен-ствованиемтехнологий,которыесейчаспозволяютсоздаватьнеохла-ждаемыеИК-матрицыбольшогоформата.

ХарактернымотличиемТПИотфотонныхприемниковявляетсято,чтополезныйсигналобразуетсяприизменениитемпературыприем-никазасчетэнергиирегистрируемогоизлучения,втовремякактем-пературафотонныхприемниковподдерживаетсяпостоянной.Взаимо-действиелучистойэнергиисвеществомТПИвызываетпоявлениетемпературногополяиповышениееготемпературы.Всвоюочередьэтоприводитквозникновениюкакого-либоизтепловыхэффектов(термоэлектрического,пироэлектрического,болометрического)икпоявлениювыходногосигнала.Всвязисэтимтакиепараметры,кактеплоемкостьитеплопроводность,имеютдлятепловыхПИбольшоезначение.

ИдеализированнаямодельТПИ

Нарис.8.2данапринципиальнаясхемаТПИ,вкоторойотраженыглавныеособенностииопределяющиепараметрыТПИ.

ТПИ(1)степлоемкостьюC_Т

соединентепловыммостом(2)степ-

ловойпроводимостью_T

степлоотводом(3),имеющимпостоянную

температуруТ₀.БезизлучениятемператураТПИравнатемпературетеплоотводаТ₀,априпопаданииизлученияонаизменяетсянавеличи-

нуT.Этоприращениетемпературыможновычислитьизуравнения

тепловогобаланса:

C^dTT , (8.2.1)

T _dt T ^Ф

гдеФ–потокизлучения,падающийнаТПИ,а^–коэффициентпо-глощенияизлучения.

Этоуравнениеможнопереписать

_h ввиде

T₀+ΔT

dT_Ф_

T _.

(8.2.1а)

₁ dt C_T

C_TT

Величина

C_TT

играетроль

² временирелаксацииизбыточнойтемпературыпослевыключенияпо-токатеплавстационарномсостоя-

3

T₀

Рис.8.2.Схематичноеизображе-

нии,а^Ф

C_T

ции.

–рольфункциигенера-

ниеТПИ(1),тепловогомоста(2)

итеплоотвода(3)спостоянной

Очевидно,чтовстационарном

состоянии,т.е.принеизменномзна-

температуройТ₀

чении

T,стационарноезначение

или

температурыТПИбудетравно



cт 0 ст 0

TTTT^Ф

T

T_ст

_Ф_.

_T

(8.2.2)

ЗависимостьT

отвременипослевключенияилипослевыключе-

нияизлучениязаписываетсякак

 _^t

 ^

 _ ^t 

;

_ C_

TT_ст1e

_T_ст1e ^TT_

(8.2.3)

_–t

TT_стe^

T_стe

• t C_TT.

Какобычно,примодулированномпотокетепла(падающегоизлу-чения)приращениетемпературысучетомчастотымодуляции^мож-нозаписатьввиде

T_ст

Ф _

₂₂₁2

Ф

2 22¹²

. (8.2.4)

_T1

^{ }T^{C}T^

Попытаемсявыявитьаналогиимеждуфотонными(ФПИ)итепло-вымиприемниками.ДляТПИаналогизбыточнойконцентрацииноси-телей,котораяявляетсяпричинойвозникновениясигнала,–этодо-полнительная(избыточная)температураприемника.Чембольшеэтивеличины,тембольшеполезныйсигналФПИиТПИ.ДляФПИвпро-стейшемслучаестационарноезначениевеличиныизбыточнойконцен-трацииносителейзарядапрямопропорциональновременижизниэтихносителейзарядавразрешеннойзоне.

ДляТПИстационарноезначениевеличиныизбыточнойтемперату-

рытембольше(уравнение(8.2.2)),чемменьшетепловаяпроводимость

тепловогомоста,т.е.чемменьшеуходизбыточноготепла,возникаю-щегозасчетизлучения,натеплоотвод.Однакоаналогомвременижиз-ниносителейзарядавыступаетнетепловаяпроводимость,а,какбыло

сказановыше,отношениеC_T

_T.ТеплоемкостьТПИ,какэтовидно

из(8.2.2),невлияетнастационарноезначениевеличиныизбыточнойтемпературы,ноопределяетпрификсированнойтепловойпроводимо-

стивремя,закотороедостигаетсястационарноезначение

T.Как

видноиз(8.2.4),примодулированномпотокепадающегоизлучения

уменьшениеT

счастотойначинаетсказываться,если^2²C^2.

T T

Такимобразом,чтобыудовлетворитькактребованиямвысокойчувствительности,такитребованиямбыстродействия,необходимкомпромисс:тепловаяпроводимостьдолжнабытьмала,нобольше,

чем

_2_C2

нарабочейчастоте,т.е.должновыполнятьсянеравенство

T

T T

^2²C^2.