книги из ГПНТБ / Левитин И.Б. Инфракрасная техника

с одной стороны подложки 2 посредством напыления в ва­ кууме. Поглощающий слой 3 толщиной 20—30 мкм из рыхлой золотой черни наносится с противоположной сто­ роны подложки; тепло, выделяющееся при облучении по­ глощающегося слоя 3 передается слою / посредством теп­ лопроводности подложки.

Весь образованный таким образом чувствительный эле­ мент помещается в стеклянный баллон, в котором создается

50мкм.

Спектральная чувствительность болометра определяется

очень высоким спектральным поглощением золотой черни и спектральным пропусканием окна. На рис. 21 приведены

нием каждой 150—300 Ом; при рабочем токе 2—7 мА рас­ сеиваемая мощность составляет 0,8 — 8,5 мВт. В пределах

постоянна. Болометры ФМ выпускаются в модификациях А, Б, В; их основные параметры приведены в табл. 12 [26].

Полупроводниковый болометр. Основными преимущест­ вами полупроводниковых болометров являются: Л харак-

60

терное для полупроводников большое значение темпера­ турного коэффициента сопротивления (на порядок выше, чем у металлов) и 2) высокое сопротивление чувствитель­ ных элементов (порядка мегаомов).

В качестве материала для изготовления чувствительных элементов используются главным образом оксидные полу­ проводники. В целях снижения постоянной времени токопроводящий полупроводниковый слой наклеивается на массивную изолирующую подложку с высокой теплопро­ водностью.

•g orH. éd.

^ 0 200 400 600 ООО WOO мм

Рис. 21. Кривые спектральной чув­ ствительности болометра типа ФМ

На рис. 22 показано устройство отечественного полупро­ водникового болометра типа Б КМ. Подложка 2 толщиной несколько миллиметров изготовляется из кристалличе­ ского кварца. На нее наклеиваются два чувствительных элемента (рабочий 1 и компенсационный 3), изготовленные из смеси окислов марганца и кобальта в виде тонких тол­ щиной 10—20 мкм пластинок размером-0,5—5 мм2-. Этот материал имеет температурный коэффициент сопротивле­ ния ß r А 0,04 К - 1 , .и удельное-: сопротивление р = = 102 -н 103 Ом-см (прямоугольные чувствительные эле­ менты при этом имеют R = 0,5 — 2 МОм).

Оксидные болометры обладают в инфракрасной области спектра коэффициентом поглощения а ^ 0,80 ч- 0,90, но

61

только до % — 14 -4- 15 мкм; при больших длинах волн а снижается, вследствие чего приемные площадки в ряде случаев покрывают чернью (например, копотью и т. п.). Для малых лучистых потоков (до Ю - 3 Вт) полупроводни­ ковые болометры являются линейными приемниками, при более значительных потоках линейность нарушается.

Болометры типа Б КМ работают без вакуума, но для предохранения чувствительных элементов от воздействия влаги и конвекции воздуха (вызывающей шумы) чувстви­ тельные элементы в некоторых разновидностях болометров (например, БКМ-4) заключаются в герметичный корпус

сокном из КВч.

Втабл. 13 приведены параметры болометров типа Б КМ

[26].

1 Интегральная чувствительность S определена при частоте м о д у л я ц и и ' м о д = 1 0 г « -

62

Интересной разновидностью полупроводниковых боло­ метров является иммерсионный болометр. Этот болометр концентрирует излучение, падающее под различными уг­ лами (до 60° от нормали), на чувствительном элементе 2 при помощи полусферической линзы из германия 1 (рис. 23), которая одновременно выполняет функцию теплоотводящей массивной подложки. Чувствительный элемент 2 накладывается в центре плоского основания линзы. Бла­ годаря высокому значению показателя преломления гер­ мания, равному 4, удается уменьшить размер изображе­ ния, а следовательно, приемной площадки, в 16 раз.

с помощью тепловых приемников в длинноволновой ин­ фракрасной области спектра (К = от 100 до 1000 мкм), необходимых, например, при астрофизических исследова­ ниях, возникает необходимость предельного снижения тепловых шумов, что, очевидно, определяет значение по­

Первым болометром с глубоким охлаждением (1940 г.) был сверхпроводящий болометр из нитрида Колумбия (CbN), сверхпроводимость которого достигается при ох­ лаждении жидким водородом (критическая температура Тс между 14,34 и 14,38 К), более удобным при использовании, нежели жидкий гелий. Этот болометр имел пороговую чув­

63

В 1959 г. Бойль и Роджерс разработали угольный бо­ лометр, в котором чувствительный элемент был изготовлен из угля для электродов с удельным сопротивлением р = = 56 Ом-см. Этот материал имеет чрезвычайно высокий

лический криостат, заполненный жидким Не. Для того чтобы снизить скорость испарения гелия, в криостате име­ лись промежуточные экраны, работающие при температуре жидкого азота. Окно, через которое поступало излучение,

оболочка криостата и внешнее окно из кварца имели ком­ натную температуру.

В 1961 г. Лоу разработал болометр из германия р-типа, легированного галлием, также работающий при темпера­ туре жидкого гелия. Чувствительный элемент имел тол­ щину 0,12 мм и площадь ап = 15 мм2 , сопротивление (при температуре Не) R — 12 кОм. Температурный коэффици­ ент сопротивления этого болометра близок к угольному. Болометр был также помещен в гелиевый криостат. Наи­ более важная особенность этого болометра состояла в прак­ тически полном отсутствии токового шума в рабочих ус­ ловиях (Г А; 2 К, / р а б = 70 мкА).

Последней разработкой в этом направлении, известной из литературы (Дрью и Сивере, 1969 г.), является болометр из монокристаллического германия р-типа, легированного индием и сурьмой, охлаждаемый легким изотопом гелия (Не3 ) до рабочей температуры Т = 0,37 К..

64

Неселективный оптико-акустический приемник. Этот приемник практически впервые осуществлен в 1937 г. в СССР М. Л. Вейнгеровым. Действие его основано на яв­ лении Тиндаля, суть которого состоит в том, что газ, за­ ключенный в камеру, облучаемую прерывистым лучистым потоком, начинает звучать вследствие периодических коле­ баний объема газа, возникающих при его нагреве погло­ щенным излучением, если эти колебания происходят со звуковой частотой. Если камера имеет прозрачное для ин­ фракрасных излучений окно и наполнена газом, поглощаю­ щим эти излучения, то, поместив в камеру микрофон, можно преобразовать акустические колебания в электрические. Однако такой приемник является селективным, со спек­ тральной чувствительностью, соответствующей полосам поглощения газа.

Более широкое применение получил неселективный

скую пленку, покрытую неизбирательным поглощающим слоем. Поглощенное излучение повышает температуру газа, находящегося в маленькой камере, одна из стенок которой представляет собой гибкую мембрану. При на­ греве газа увеличивается его объем, вследствие чего мем­ брана деформируется; деформация мембраны регистри­ руется электрическим или оптическим способами. В первом случае мембрана служит одной из обкладок конденсатора

(рис. 24, а); при ее деформации изменяется емкость кон­ денсатора. Во втором случае мембрана является зеркалом (рис. 24, б), отражающим пучок света от вспомогательного источника на фотоэлемент. Пучок проходит через диа­ фрагму в виде растра из прозрачных и непрозрачных поло­ сок; при деформации мембраны пучок смещается и расфо­ кусировывает изображение растра, что изменяет сигнал от фотоэлемента. Схемы, поясняющие оба принципа ре­ гистрации, приведены на рис. 24.

6)

Спектральная чувствительность оптико-акустического приемника зависит от свойств поглощающего слоя на чувст­ вительном элементе; в ряде случаев его покрывают не чернью, а тончайшим полупрозрачным слоем металла, по­ глощающим до 50% падающего лучистого потока. Это по­ зволяет снизить теплоемкость поглощающего слоя и соз­ дать равномерное поглощение в очень широкой области спектра (от 5 до 1000 мкм).

Камера наполняется гелием (или водородом) либо ксе­ ноном при нормальном давлении; в первом случае дости­ гается меньшая инерционность, но и меньшая чувствитель­ ность, во втором — большая инерционность, зато и боль­ шая чувствительность приемника.

Основные параметры оптико-акустического приемника ГОИ (Н. А. Панкратов) следующие: !Граб = 295 К,

66

пропорциональна разности давления паров в кювете и дав­ ления насыщенных паров при температуре кюветы. Если давление насыщенных паров масла при температуре мем­ браны ниже давления паров в кювете, возникает конденса­ ция паров. Если давление насыщенных паров, наоборот, выше, возникает испарение масла.

Температура мембраны, в свою очередь, зависит от тем­ пературы и геометрических параметров стенок кюветы, от температуры и излучательной способности наблюдаемого объекта и теплового режима всего прибора в целом.

Рис. 26. Схемы диэлектрического и пироэлектрического при­ емников

Разрешающая способность преобразователя ограничи­ вается теплопроводностью чувствительных слоев мембраны (поглощающего слоя, самой мембраны и преобразующего слоя) в плоскости мембраны (максимальное разрешение было бы, если бы теплопроводность в этом направлении равнялась нулю), а тепловая постоянная времени ограни­ чивается теплоемкостью слоев мембраны. Реальные пара­ метры эвапорографического преобразователя таковы: по­ роговая чувствительность Ф п о р = 2 - 10 _ ш Вт; минималь­ ная, обнаруживаемая разность энергетических освещенно-

Диэлектрический и пироэлектрический приемники. Дей­ ствие этих приемников лучистой энергии основано на из­ менении диэлектрической проницаемости е диэлектрика в конденсаторе, одна из обкладок которого является по­ глощающим излучение слоем.

В диэлектрическом приемнике при поглощении излу­ чения и увеличении температуры диэлектрика изменяется

68

емкость конденсатора. Это изменение регистрируется как изменение падения напряжения на сопротивлении нагрузки Rn (рис. 26, а). Диэлектрик представляет собой тонкую пленку (при этом его теплоемкость достаточно мала) из материала с возможно большим значением температурного коэффициента диэлектрической проницаемости ße .

Пироэлектрический приемник основан на том же прин­ ципе, но в качестве диэлектрика в конденсаторе исполь­ зуется сегнетоэлектрик с резко выраженным пьезоэлектри­ ческим эффектом (при механической деформации на его поверхности возникают электрические заряды). Такие де­ формации появляются при нагреве конденсатора излуче­ нием. В качестве материала может быть использована пьезо-

ский приемник (рис. 26, б) не требует источника питания: возникающая на обкладках разность потенциалов усили­ вается и регистрируется измерительным прибором.

К первой группе относятся фотоэлектрические прием­ ники с внешним фотоэффектом — фотоэлементы с внешним фотоэффектом вакуумные и газополные, фотоэлектронные умножители (ФЭУ); фотогальванические приемники с р—п-переходами — вентильные фотоэлементы, фотодиоды; приемники с внутренним фотоэффектом — неохлаждаемые фоторезисторы, чувствительные к излучениям с А < 3 мкм.

К второй группе относятся приемники с внутренним фотоэффектом — охлаждаемые фоторезисторы, чувстви­ тельные к излучениям с % > 3 мкм, и фотогальваномагнитный приемник.

69