2.2.3 Электрическая регистрация излучений

Ещё одним видом приёмников оптического излучения являются электрические приёмники, которые преобразуют поступающее излучение в электрических сигнал, который можно передавать на расстояние. Электрическая регистрация поступающего излучения основана на его поглощении чувствительным элементом приёмника. При этом электрический сигнал возникает вследствие непосредственного воздействия излучения на чувствительный элемент (фотоэлектрический эффект) или его нагревания (термоэлектрический эффект). Соответственно, такие приёмники делят на фотоэлектрические и термоэлектрические.

Фотоэлектрические приёмники (фотоэлементы). Подразделяются на следующие группы:

1. Приёмники, действие которых основано на внешнем фотоэлектрическом эффекте (фотоэффекте):

1.1 Электровакуумные фотоэлементы.

1.2 Фотоэлектронные умножители

2. Приёмники, действие которых основано на внутреннем фотоэффекте:

2.1 Полупроводниковые фотоэлементы.

2.2 Фотодиоды и др.

Внешний фотоэффект основан на испускании электронов при попадании излучения на чувствительный элемент (фотокатод). В результате вырабатывается фототок, сила которого пропорциональна падающему световому потоку. Именно этот принцип положен в основу работы электровакуумных фотоэлементов, фотокатод в которых выполнен из металла. В фотоэлектронных умножителях электроны, вырванные светом, попадают на промежуточные электроды и вызывают эмиссию вторичных электронов, что обеспечивает весьма значительное усиление фототока. Фотоэлементы наиболее чувствительно к ультрафиолетовому и видимому излучению. Например, спектральная чувствительность одного из эффективных фотокатодов – сурьмяно-цезиевого – лежит в пределах 0,2-0,6 мкм.

Внутренний фотоэффект основан на резком изменении электрического сопротивления чувствительного элемента, изготовленного из полупроводника. При освещении полупроводникового фотоэлемента величина тока в электрической цепи будет меняться пропорционально освещённости. Полупроводник может быть селеновым (чувствителен к видимому и ближнему ИК-излучению), сернисто-свинцовым (чувствителен к среднему ИК-излучению), германиевым, теллуровым, из антимонида индия (чувствительные к длинноволновому излучению в зоне 3-5 и 8-12 мкм) и др. По сравнению с вакуумными приёмниками полупроводниковые имеют как преимущества (малые габариты, большая чувствительность, возможность регистрировать длинноволновое излучение), так и недостатки (непостоянство чувствительности, нелинейная зависимость электрического сигнала от освещения и др.).

В основе действия фотодиодов лежит фотогальванический эффект – образование наряду с изменением сопротивления собственной электродвижущей силы в неоднородных полупроводниках под действием освещения.

Термоэлектрические приёмники. Применяются для регистрации инфракрасного теплового излучения. Их действие основано на термоэлектронной эмиссии, они реагируют на поглощённое излучение через нагревание своего чувствительного элемента. Термоэлектрические приёмники регистрируют излучение в широком спектральном диапазоне. Для надёжной защиты приёмника от постороннего теплового воздействия при регистрации ИК-излучения (8-12 мкм) его подвергают глубокому охлаждению жидким азотом или гелием. Примерами термоэлектрических приёмников могут служить:

– болометры, работа которых основана на изменении сопротивления чувствительного элемента, нагреваемого падающим излучением. Чувствительный элемент металлических болометров изготавливается из тончайшей зачернённой фольги, полупроводниковых (терморезисторов, или термисторов) – из полупроводников (селен, кремний, германий, теллур и др.);

– рельефографические приёмники, работа которых основана на изменении формы поверхности чувствительного элемента под действием излучения. Чувствительным элементом выступает фототермопластическая плёнка, состоящая из нескольких очень тонких слоев, важнейшим из которых является термопластический слой, легко размягчаемый при нагревании. При проектировании на пленку оптического изображения на ее поверхности возникает электрическое изображение. В процессе теплового проявления (нагревание ИК-лучами в течение долей секунды) размягченный термопластический слой под действием электрических сил деформируется, образуя микрорельеф, количество элементов которого пропорционально интенсивности подействовавшего излучения. Таким образом, если фотографическая пленка регистрирует излучение в виде почернений, то фототермопластическая пленка – в виде неровностей (микрорельефа) ее поверхности. Для воспроизведения невидимого глазом фототермопластического изображения его необходимо спроектировать на экран, последовательно просвечивая пленку узким световым лучом, яркость которого на экране будет пропорциональна неровностям на термопластике.