книги из ГПНТБ / Козелкин В.В. Основы инфракрасной техники учебник
.pdfkiim материалам относятся цезий и его соединения. Вторичные электроны с электрода бт ускоряющим полем направляются на следующий электрод, где они снова выбивают еще большее число вторичных электронов. Этот процесс повторяется в каждой паре электродов. Происходитпоследовательное нарастание электрон ного тока, который в цепи анода уже в миллионы раз превышает первичный фототок. Величина фототока на выходе умножителя определяется соотношением
'ф ' - й^эм, |
(4.34) |
где •) — первичный фототок с поверхности катода; п — число электродов.
Для увеличения отдачи электродов необходимо направлять па них поток электронов при помощи электростатической или электромагнитной фокусировки.
Большим достоинством ФЭУ является их высокий порог чув ствительности, достигающий КН 8 Вт, и весьма малая инерцион ность. В настоящее время разработаны ФЭУ, способные регист рировать сигналы с частотой модуляции до 1000 МГц, что очень важно при приеме когерентных излучений оптических квантовых генераторов. Для этих целей рекомендуется использовать фото электронный умножитель ФЭУ-84, ФЭУ-79 и др.
§ 4.6. О Х Л А Ж Д ЕН И Е ПРИЕМНИКОВ ИКИЗЛУЧЕНИЯ
При изучении отдельных типов приемников было показано, что охлаждение болометров и почти всех видов фоторезисторов во много раз увеличивает их чувствительность.
Для охлаждения приемников служат специальные холодиль ные устройства. В современных приемниках ИК-излучения при меняются следующие холодильные устройства:
.V |
131 |
—криостаты;■
—термоэлектрические холодильники;
—холодильники с использованием эффекта Джоуля — Том
сона;
—холодильные устройства с переносом хладагента.
1.Криостаты
Криостаты, пли сосуды Дыоара, являются наиболее распро страненными холодильными устройствами. Обычный термос явил
ся прообразом для создания |
многих |
холодильных |
|
устройств |
||||||
|
этого типа, вплоть до таких, диаметр ко |
|||||||||
|
торых чуть более |
1 |
см, |
а длина около |
||||||
|
3 см. На рис. 4.25 |
|
показано |
устройство |
||||||
|
приемника, охлаждаемого с помощью со |
|||||||||
|
суда Дыоара или, как иногда говорят, |
|||||||||
|
просто |
дыоаром. |
Фотослой 1 |
|
приклеи |
|||||
|
вается |
к донышку |
стеклянного |
|
стакана, |
|||||
|
являющегося внутренней колбой 2 дыоа |
|||||||||
|
ра. На |
поверхность |
стакана |
|
наносятся |
|||||
|
две токопроводящие дорожки, к которым |
|||||||||
|
припаиваются электроды 3 приемника. |
|||||||||
|
Стакан помещается внутрь колбы 4, и |
|||||||||
|
торцы их свариваются, после чего из со |
|||||||||
|
суда откачивается воздух и получается |
|||||||||
|
дьюар. |
Охлаждение осуществляется пу |
||||||||
Рис. 4.25. Устройство со |
тем заливки в дыоар хладагента |
(жидко |
||||||||
го азота, |
водорода |
или |
гелия) |
или за |
||||||
суда Дыоара: |
кладки |
брикета |
твердой |
углекислоты. |
||||||
/—фотослои; 2—внутренняя |
Недостатком |
таких |
систем |
|
является |
|||||
колба: 3— электроды; |
|
|||||||||
внешняя колба; 5—окно |
необходимость |
эксплуатации |
приемника |
|||||||
|
только |
в |
вертикальном |
положении при |
||||||
заливке жидкого хладагента, не допускающем выливания хлад агента. Поэтому фоточувствительный слой в таких системах на клеивается на боковую сторону внутреннего стакана, а в наруж ном делается специальное отверстие, закрываемое материалом, пропускающим ИК-излучение.
2. Термоэлектрические холодильники
Термоэлектрические холодильники применяются в приемни ках, не требующих для увеличения чувствительности глубокого охлаждения, т. е. охлаждения до температур жидкого азота, во дорода или гелия. Современные термоэлектрические холодиль ники могут обеспечить охлаждение приемника на 100° относи тельно температуры окружающей среды. Это означает, что при температуре воздуха в +504-60° С можно охладить фотослой до
-404-50° С.
132
Принцип действия термоэлектрических холодильников осно ван на использовании эффекта Пельтье. Известно, что в термо элементе возникает термо-э.д.с., если один его спай нагреть, а другой охладить. Оказалось, что при пропускании тока через термоэлемент происходит обратное явление — один спай его ох лаждается, а второй нагревается. Это явление и получило назва ние эффекта Пельтье, по имени французского ученого, открыв шего это явление.
Термоэлектрический холодильник (рис. 4.26) состоит из двух полупроводниковых элементов (ветвей) с п- и /э-проводимостыо, последовательно соединенных с источником питания. При про хождении постоянного тока через эле
менты от плюса батареи к минусу на |
|
|
||
нижнем конце |
элемента с п-проводи- |
|
|
|
мостыо будет |
избыток электронов, на |
|
|
|
элементе с р-проводимостыо избыток |
|
|
||
положительных |
зарядов — «дырок», а |
|
„'Л'////// |
|
на верхних концах |
элементов — недо |
— |
||
статок электронов |
и дырок. Избыток |
|
|
|
зарядов будет нагревать спай 2, а не |
|
HI |
||
достаток зарядов вызовет поглощение |
|
|||
|
|
|||
на спае 1 теплоты, |
т. е. его охлажде |
Рис. 4.26. Схема работы тер |
||
ние. Если при этом за счет теплоотво |
моэлектрического холодиль |
|||
да температуру спая 2 поддерживать |
|
ника |
||
постоянной, то температура спая 1 бу |
|
|
||
дет понижаться до определенного значения. Перепад температур АТ между холодным и горячим спаями может быть вычислен по формуле
|
А^шах—0,5!;7’г, |
(4.35) |
где ; = |
а ? |
|
------- термоэлектрический показатель добротности; |
||
|
qG |
|
|
Тг — температура горячего спая в градусах Кельвина; |
|
|
ат —коэффициент термо-э.д.с., выраженный в вольтах на |
|
|
1 градус абсолютной температуры (К); |
|
|
q — удельное сопротивление в Ом-см; |
|
|
G — теплопроводность в Вт/(град-см). |
|
Абсолютная температура выражается в градусах |
Кельвина. |
|
Наибольшее значение показателя добротности g имеют полу |
||
проводники и их соединения. Так, для широко используемого в термоэлектрических холодильниках теллурида висмута (Bi2-Te3)
1,6-10- 3 Если подставить это значение в формулу (4.35), то
получим при температуре горячего спая 300 К (примерно комнат ная температура) максимальный перепад ДГ=0,5-1,6-10~3-9-104 = = 72°, т. е. холодный спай, а следовательно, и приемник излуче ния будет иметь температуру Гх= 300—72= 228 К или —45° С.
133
Для увеличения холодопроизводительности отдельные термоэле менты соединяются в термобатареи.
3. Холодильники Джоуля — Томсона
Более 100 лет назад английскими учеными Джоулем и Том соном было установлено, что при расширении сжатого газа в вакууме происходит его охлаждение. Это явление получило на звание эффекта Джоуля — Томсона. Между изменением давле ния газа Ap=pi—pz и изменением температуры существует зави симость
АТ = рАр, |
(4.36) |
где р — коэффициент Джоуля — Томсона — среднее значение эффекта дросселирования (изменения давления) в интервале из менения давления рi—р2. В момент резкого изменения давления (дросселирования) газ, охлаждаясь, превращается в жидкость — сжижается. В приемниках ИК-излучения применяются два типа холодильников, основанных на использовании эффекта Джоуля— Томсона: холодильники, построенные по схеме «труба в трубе» и поперечноточные. Холодильник, построенный по схеме «труба в трубе», представляет собой теплообменник из двух трубок—внут ренней и наружной. По внутренней трубке, заканчивающейся дроссельным отверстием диаметром 25—70 мкм, пропускается газ высокого давления. Выходя из дроссельного отверстия, газ резко расширяется, давление его понижается и он охлаждается, превращаясь в жидкость. Сжиженный охлажденный газ по меж трубному пространству выводится наружу. Внутренняя и внеш няя трубки наматываются в виде спирали определенного разме ра и вставляются в дыоар. Чтобы трубки при намотке не смя лись, через них пропускается газ под давлением 80—100 кгс/см2.
Температура охлаждения зависит от давления газа на выхо де дросселя —• чем оно меньше, тем ниже температура охлаж дения. Это условие лучше всего обеспечивается в так называе мых поперечноточных теплообменниках. На рис. 4.27 показано
Рис. 4.27. Устройство поперечноточного холодильника Джоуля—Томсона:
/ —спираль теплообменника; 2—сердечник; 3—внутренняя колба Дыоара; 4—приемник; 5— входной штуцер
134
устройство одного из таких холодильников. Холодильник пред ставляет собой спираль 1 из тонкой металлической трубки, за крепленной на сердечнике 2. Трубка выполняет роль поперечно точного теплообменника. Сжатый газ (воздух) поступает на вход штуцера 5, с помощью которого холодильник присоединяется к баллону со сжатым газом. Выходя из узкого отверстия, дрос селя трубки, газ расширяется; при этом происходит его охлаж дение. Холодильник плотно вставляется в дыоар 3, и поток сжи женного газа направляется на тыловую часть подложки 4 при емника ИК-излучения. После расширения холодный газ выходит из дыоара, охлаждая при этом газ, проходящий по теплообмен нику 1. Внешний диаметр трубки 0,5 мм, внутренний 0,25 мм. Длина сердечника около 4 см, диаметр вместе со спиралью теп лообменника около 5 мм.
4.Холодильники с переносом хладагента
Внекоторых случаях необходимо одновременное охлаждение нескольких приемников от одной системы. Для этих целей может быть использована установка с прямым переносом хладагента.
Рис. 4.28. Устройство холодильника с переносом хладагента:
/ —сосуд Дьюара; 2— приемник; 3—клапан; <#—предохранительный клапан; 5—подогреватель
Некоторые газы в жидком состоянии имеют очень низкие
температуры кипения. |
Например, температура кипения жидкого |
воздуха —81 К, азота |
—77 К, водорода —20 К, а у гелия она |
135
составляет 4,2 К, т. е. почти близка к температуре абсолютного нуля. Указанные сжиженные газы можно хранить только в сосу дах Дыоара.
Схема холодильной установки с переносом хладагента пока зана на рис. 4.28. Сосуд Дыоара 1 соединен с приемником 2 трубопроводом и клапанным устройством 3. Жидкий газ из бал лона через клапан а заливается в дыоар. При этом давлением газа клапан б закрывается и газ не может поступить на прием ник. При подаче напряжения на электронагреватель 5 газ нагре вается и за счет расширения по трубопроводу поступает в кла панное устройство 3, закрывая клапан а. Так как клапан б при этом остается открытым, газ поступает к приемнику и охлажда ет его. Испарение газа осуществляется через отверстия в крыш ке приемника. Для взрывобезопасное™ сосуда 1 служит кла пан 4, который открывается избыточными парами газа при его испарении. Достоинство описанной системы состоит в том, что даже при выключенном электронагревателе часть газа в виде паров все же поступает на приемник, осуществляя его предвари тельное охлаждение. Это сокращает время охлаждения и быва ет выгодным, когда система должна быть готовой к немедлен ному действию.
§4.7. КОЭФФИЦИЕНТ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ИЗЛУЧЕНИЯ
В практике применения приемников излучения, особенно селективных, возникает необходимость в вычислении их параметров относительно излуча телей, имеющих температуру, отличную от заданной (указанной в паспорте). В настоящем параграфе кратко излагается методика пересчета параметров на любую нестандартную температуру излучателя.
Способ пересчета основан на сравнении коэффициентов использования приемником лучистого потока от стандартного источника и источника с тем пературой Т. Это возможно, если для каждого типа приемника известен ко эффициент использования лучистых потоков. Коэффициентом использования лучистого потока называется отношение величины потока излучения, на кото рый реагирует приемник, к полному его значению.
Поскольку приемники с различными спектральными характеристиками по разному реагируют на одно и то же излучение, пересчет производят с уче гом спектральных характеристик.
Если вместо полного потока взять в относительных единицах спектраль ную плотность излучения г^ [см. формулу (1.37)], то, имея значение 5 ^ при
емника, можно записать коэффициент использования без учета прозрачности атмосферы в виде *
A = ±L------------ , |
(4.37) |
Ал |
|
X,
* Иногда коэффициент k называют спектральным коэффициентом полез
ного действия приемника.
136
где
Л = ' \т
>~Т„
S x — спектральная чувствительность.
Величину k вычисляют графо-аналитическим способом в следующем порядке.
1. Значения X и г х в формуле |
(1.37) |
заменяют значениями .v=X//.max, |
||
где А-тnx,=0,289G/T и |
|
Г1т |
|
|
у = — — . |
|
|
||
гг |
(1.37) |
Г1Т" а х |
|
|
После этого формула |
принимает вид |
-1 |
||
|
|
|
4,97 |
|
|
у. = |
142,32л—5 |
е |
(4.38) |
Рчс. 4.29. К графическому определению ко эффициента использования
Через |
|
интервалы АХ, например, через |
0,1 |
мк.м, |
определяют .v для |
Xi, Хз, |
||
Х3 и т. д. и по ним вычисляют значения |
у, |
которые сводят в таблицу. |
||||||
2. |
Вычисляют величину |
^ =13150 |
(Г/1000)45 Вт/смэ. |
|
|
|||
3. |
По табличным значениям х и у и значениям |
гхг |
вычисляют |
гхт = |
||||
= у г хт |
= 13150//(7’/1000)5 |
Вт/см3 и определяют |
|
|
|
|||
|
1max |
|
|
|
|
|
|
|
Г\Т
4.В относительных единицах строят графики rx = /(X )для искомой тем
пературы Т и стандартной. |
(рис. 4.29) накладывают |
5. На кривую/д = / (X) в одинаковом масштабе |
|
спектральную характеристику приемника излучения |
= / (X) пли D* = f (X) . |
137
6. Определяют коэффициент использования
|
|
|
к |
°2 » |
|
|
|
|
|
|
(4.39> |
|||
где Ог — площадь, ограниченная |
ординатами |
/,| и А; |
(1 и |
10 мкм |
|
на |
||||||||
рис. 4.29), осью X и полученная в результате перемножения ординат кривых |
||||||||||||||
Sx и гх\ о ,— площадь кривой гх, ограниченная ординатами Xi и Х3. |
|
|
|
|||||||||||
Например, для неохлаждаемого сернистосвинцового фоторезистора |
и чер |
|||||||||||||
ного тела с Т—600 К. характеристики |
и гх которых |
изображены |
на |
рис. |
||||||||||
4.29, <Ti=l,5 см2, а Ог=50 см2. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
Коэффициент использования излучения в интервале |
длин волн 1— 10 мкм |
|||||||||||||
будет |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
к = |
1-5 |
= 0,03. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
— |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
50 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
При этих же услориях селеннстосвннцовый фоторезистов нмеетА = ~ zz = |
0,24, |
|||||||||||||
т. е. в восемь раз больше. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
50 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
Пересчет параметров от заданных значений |
к |
требуемой |
температуре |
|||||||||||
можно произвести по следующим формулам: |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
фп(Г) — Фи(п) |
ь |
|
|
|
|
|
(4.40) |
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
где Фщг) — порог чувствительности к излучателю |
с температурой |
Г; |
|
|
|
|||||||||
Фщп) — порог чувствительности, указанный в паспорте; |
|
|
|
|
|
|||||||||
к„ — коэффициент |
использования |
излучения |
с температурой, |
относи |
||||||||||
тельно которой был определен ФП(п>; |
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
кт — коэффициент |
использования |
излучения с |
температурой Т: |
|
|
|
||||||||
|
|
|
S / |
— S,, |
|
|
|
|
|
|
|
(4.41) |
||
где Sп — чувствительность, указанная в паспорте. |
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
Например, для неохлаждаемого сернисто-свинцового |
фоторезнстора |
из |
||||||||||||
вестны значения |
= 5 - 10—11 |
Вт/Гц',,! |
и |
5 П=10000 |
Б/Вт, измеренные |
для |
||||||||
источника излучения с 7'п=500 |
К (227° С). |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
Требуется определить порог чувствительности Фл этого фоторезнстора и |
||||||||||||||
его вольтовую отдачу при использовании излучателя |
с |
7=500° С |
(—773 К) |
в |
||||||||||
диапазоне длин волн 1—10 мкм. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
и |
|||
Проделав вычисления по упомянутой выше методике, получим £„=0.01 |
||||||||||||||
&г~0,1. Подставив эти значения в формулы для |
Фп(л |
и S T, найдем |
|
|
|
|||||||||
|
Фп(г) = |
5 - 10 -и ^ = 5 - 1 0 - 1 2 |
Вт/Гц]/2, |
|
|
|
|
|
||||||
|
S r = |
0,1 |
105 |
В /Вт. |
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
104 -------= |
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
0,01*
* Для учета влияния атмосферы на эти кривые может быть наложена третья кривая прозрачности атмосферы в относительных единицах т„=/(Х); в этом случае ординаты S ? ц гх необходимо умножить еще на ординаты т;1.
138
Вопросы для повторения
1.Чем отличается неселективный приемник от селективного?
2.В чем основное отличие теплового приемника от фотоэлект рического?
3.Какие бывают болометры и где они применяются?
4.Чем можно охарактеризовать приемник излучения?
5.Какие бывают фоторезисторы? Что такое фотодиод и фото триод?
6.Для чего нужно охлаждать приемник? Основные виды си
стем охлаждения?
Г л а в а V. ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ ИНФРАКРАСНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ
Преобразователи ИК-излучения являются разновидностью приемников ИК-нзлучения, которые преобразуют невидимое ИКизлучение в промежуточное электронное изображение, а затем из электронного в видимое. К преобразователям ИК-излучения относятся электронно-оптические преобразователи и телевизион ные передающие трубки ночного видения.
§ 5.1. ЭЛЕКТРОННО-ОПТИЧЕСКИЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ ИЗОБРАЖЕНИЯ
1. Устройство и принцип действия
Электронно-оптическими преобразователями изображения на зываются электровакуумные устройства, преобразующие опти ческое изображение одного спектрального состава (например, ультрафиолетовое или инфракрасное) в промежуточное электрон ное изображение, а затем из
электронного в видимое. Элек |
|
|
|
|
|||||||
тронно-оптические преобразо |
|
|
|
|
|||||||
ватели (ЭОП) инфракрасной |
|
|
|
|
|||||||
области спектра широко при |
|
|
|
|
|||||||
меняют в различной аппара |
|
|
|
|
|||||||
туре |
для |
научных |
исследова |
|
|
|
|
||||
ний и в приборах |
ночного ви |
|
|
|
|
||||||
дения. |
простейшего |
элек |
|
|
|
|
|||||
Схема |
|
|
|
|
|||||||
тронно-оптического преобразо |
|
|
|
|
|||||||
вателя, предложенного в 1934 г. |
Р и с . 5.1. |
С х е м а п р о с т е й ш е г о эл е к т |
|||||||||
Холстом |
(так |
называемый |
|||||||||
р о н н о -о п т и ч еск о го |
п р е о б р а зо в а т е л я : |
||||||||||
«стаканчик Холста»), |
показана |
||||||||||
I —объект |
наблюдения; 2—объектно; 3— |
||||||||||
на |
рис. |
5.1. |
ЭОП |
выполнен |
|||||||
фотокатод; |
'/—стеклянная |
колба; 5—экран |
|||||||||
в виде стеклянной |
колбы |
(ста |
|
|
стенкой. На пе |
||||||
канчика) |
с параллельными передней и задней |
||||||||||
реднюю |
стенку нанесен |
полупрозрачный |
кнслородноцезиевый |
||||||||
фотокатод, а на заднюю-— флюоресцирующий экран |
из серни |
||||||||||
стого цинка. |
Катод и экран нанесены на серебряные |
полупроз |
|||||||||
рачные подложки, которые являются электродами преобразова теля. Между электродами прикладывают ускоряющее напряже ние до 10 000 В.
Изображение объекта в инфракрасных лучах проектируется объективом 2 на фотокатод 3. При этом облученность фотокатода оказывается пропорциональной темным и светлым участкам объекта. Поэтому излучение более ярких участков возбуждает на фотокатоде большее количество электронов и большую их эмиссию, чем темных участков, от которых фотоэмиссия меньше.
НО