2. Параметрытпи

ВведемкоэффициентпреобразованияизбыточнойтемпературыввыходноеэлектрическоенапряжениеТПИ–K^V.

T

Тогда,используя(8.2.4),получим:

VKT



KФ

_1²²_12

_ KФ

_^2²C²_12

. (8.2.5)

T T T

Вольт-ваттнаячувствительность,определениекоторойбылоданоранее,дляТПИравна

Ф

V

S^V



K

_1²²_12

_ K

_^2²C²_12

. (8.2.6)

T T T

Каквидноиз(8.2.6),нанизкихчастотах,если

T T

^2²C^2,вольт-

ваттнаячувствительностьобратнопропорциональнатепловойпрово-димоститепловогомостаинезависитоттеплоемкостиТПИ.Мини-мальноезначениетепловойпроводимостиили,чтотожесамое,мак-симальноезначениетепловогосопротивлениявидеальномслучаеобеспечивается,еслиТПИнаходитсяввакууме,полностьюизолиро-ваноттеплоотвода,аохлаждениеТПИосуществляетсятолькозасчетизлучения.ВэтомслучаеможнооценитьпредельныехарактеристикиТПИ,нопрежденужнорассмотретьосновныемеханизмышума.

МеханизмышумавТПИ

СрединаиболееважныхмеханизмовшумавТПИнужновыделитьтепловойшум(шумДжонсона),шумтепловыхфлуктуаций,фоновыйшумишумтипа1/f.Рассмотримэтивидышумаподробнее.

СпектральнаяплотностьтепловогошумадляТПИ(резистора),

имеющего сопротивлениеR,записываетсякак

ш1 1

V^24kTRf. (8.2.7)

Шумтепловыхфлуктуацийвызываетсяфлуктуациямитемпера-турыТПИ,которыевсвоюочередьопределяютсяизменениямитепло-войпроводимоститеплового моста,иравен

2

V

K

_{2 2} 4kT_2f

^ш2 1²^2

. (8.2.8)

T

Радиационныйтеплообменмеждуприемником,имеющимрабочуютемпературуT_1,иокружающейсредой(фоном),имеющейтемпературуT_2,приводитктакназываемомуфоновомушуму,которыйдляуглаполязрениянафон,равного2,составляет:

8k₀Af_T^5T⁵_

ф

V^2K²

1 2

_T1²^2

, (8.2.9)

^{гдеk–постояннаяБольцмана;}₀

• постояннаяСтефана–Больцмана;

A^{–площадьТПИ;T}_1,2

ответственно.

• температураТПИиокружающейсредысо-

Шумтипа1/fописываетсяэмпирическойформулой:

V^2k

a

^I f^{, (8.2.10)}

b

1f 1f

f

гдекоэффициентипоказателистепенимогутбытьразличныдляраз-ныхприемниковивбольшойстепенизависятоттехнологииизготов-ления.

Полнаяспектральнаяплотностьшумаявляетсясуммойвсехпере-

численныхвидовшума:

2 2 2 2 2

^Vш.полн^Vш1^Vш2^Vф^V1f^.

(8.2.11)

Мощность,ограниченнаяшумом,

дляидеальноготепловогоприемника

Рассмотрим,каковофундаментальноеограничениенавеличинумощности,ограниченнойшумом,дляидеальноготепловогоприемни-ка.ЕслиТПИнаходитсяввакууме,полностьюизолированоттеплоот-водаиохлаждаетсятолькозасчетизлучения,топороговыехарактери-стикиТПИдажеприминимизациивсехостальныхвидовшумовограничиваютсяшумамифоновогоизлучения.Вэтомслучаесредне-квадратичнаяфлуктуацияпадающегонаТПИиизлучаемогоимпото-ковизлученияравна

² 0 ^

5 5_

Ф8kAfT₁

T₂

. (8.2.12)

Еслисчитать,чтотемператураТПИиокружающейсредыодинако-

вы,то

T_1T_2T

исреднеквадратичнаяфлуктуацияпотоковизлуче-

нияравна

Ф^216k₀AfT⁵.

(8.2.13)

ДляТПИсплощадью1см^2вполосе1Гцприпреобладаниифо-тонногошумамощность,эквивалентнаяшуму,поопределениюравнафлуктуациипотокаизлученияприотсутствиидругихтиповшумовзаисключениемфотонного.Тогда:

МЭШ=Ф^*

Ф²



8k_T^5T⁵_. (8.2.14)

^п Af

0 1 2

п

ВеличинуФ^*

называюттакжеудельнымпороговымпотоком.Рас-

считанноезначениеМЭШвзависимостиоттемпературыокружающейсреды(фона)дляразнойтемпературыТПИпри1данонарис.8.3.

–9

10

–10

10 ₁

12

МЭШ,Вт/Гц

–11²

10

–12³

10

4

–13

10

–14

10

–15

10

0 100200 300 400 500600

T₂,К

Рис.8.3.МЭШидеальногоТПИвзависимостиоттемпературыфона:

T_ТПИ=290К(1);195(2);77(3);4,2(4)

Каквидноизрисунка,уменьшениеМЭШприуменьшениитемпе-ратурыТПИвбольшойстепенизависитоттемпературыфона.Если

положить

T_2290К,т.е.ориентироватьсянатемпературуЗемли,то

приизменениирабочейтемпературыТПИот290до4,2КМЭШизме-

нитсянезначительно–от510^11до

410^11

Вт/Гц^1/2.Еслижетемпе-

ратурафонасоставляет20К,тоМЭШидеальногоТПИизменитсяот

510^11до410^{13Вт/Гц1/2}.

СпектральнаячувствительностьТПИвпринципепочтипостояннавширокомспектральноминтервале,чтоявляетсяоднимизглавныхих

достоинств.Этодостигаетсятем,чтоэнергияпоглощенногофотонавТПИпреобразуетсявтеплонеселективно.Дляувеличениячувстви-тельностиТПИирасширенияспектральногодиапазонаповерхностьчувствительногоэлементапокрываюттонкимслоемчерни,приближаякоэффициентпоглощениякединице.Ограниченияпоспектручувст-вительностиТПИобычносвязаныскоэффициентомпропусканияокнаФПвкоротковолновойобластиискоэффициентомотраженияипро-пусканиемокна–вдлинноволновойчасти.

ТПИбываютнесколькихвидов:

• термоэлементы;

• болометры;

• оптико-акустическиепреобразователи;

• пироэлектрическиеприемники;

• калориметры;

• тепловыепреобразователиизображения.

Вданномпараграфемырассмотримтолькоболометры.