5.8. Применение пироэлектриков

Пироэлектрические материалы находят широкое применение в качестве сенсорных устройств различного назначения, детекторов и приемников излучений, датчиков теплометрических приборов. Используется главным образом их основное свойство – любой вид радиации, попадающий на пироэлектрический образец, вызывает изменение его температуры и соответствующее изменение поляризации.

К числу преимуществ пироэлектрических приемников излучения относятся широкий (практически неограниченный) диапазон частот детектируемой радиации, высокая чувствительность, быстродействие, способность к работе в области повышенных температур. Особенно перспективно применение пироэлектрических приемников в области частот ИК-диапазона. Они практически решают проблему детектирования потоков тепловой энергии малой мощности; измерения формы и мощности коротких (10^-5–10^-11с) импульсов лазерного излучения; чувствительного контактного и бесконтактного измерения температуры.

В настоящее время широко обсуждается возможность применения пироэлектриков для прямого преобразования тепловой энергии в электрическую: переменный поток лучистой энергии вызывает переменный ток во внешней цепи пироэлектрического элемента. Хотя КПД подобного устройства уступает имеющимся способам преобразования энергии, для некоторых специальных применений данный способ преобразования является конкурентоспособным.

Особенно интересна уже реализованная возможность использования пироэлектрического эффекта для индикации пространственного распределения излучений в системах визуализации ИК-изображений (темновидение). Созданы пироэлектрические видиконы – тепловые передающие телевизионные трубки с пироэлектрической мишенью. Изображение теплого объекта проецируется на мишень, создавая на ней соответствующий зарядовый и потенциальный рельеф, который считывается при сканировании мишени электронным пучком. Создаваемое током электронного пучка электрическое напряжение управляет далее яркостью луча, воспроизводящего изображение объекта на телевизионном экране.

Все фотоприемники на основе внутреннего фотоэффекта обладают избирательной чувствительностью. Существует ряд других физических принципов создания приемников излучения. Важное место среди них во многих случаях принадлежит тепловым приемникам, обладающим практически равномерной чувствительностью во всем диапазоне длин волн. Независимо от конкретного проявления реакции чувствительного элемента на воспринимаемое оптическое излучение общим для всех тепловых приемников является использование температурного состояния чувствительного элемента (значения температуры или скорости ее изменения). Наиболее распространенными и перспективными из числа тепловых являются пироэлектрические приемники.

Пироэлектрический ток при изменении температуры пироактивного кристалла может быть выражен следующим образом:

, (5.68)

где Р_с– спонтанная поляризация кристалла;Т – температура;γ – пироэлектрический коэффициент.

Для пироактивного кристалла, воспринимающего оптическое излучение, можно составить уравнение теплового баланса:

, (5.69)

где с– теплоемкость кристалла;G– коэффициент теплопотерь;α– коэффициент поглощения;Ф_А– амплитуда плотности синусоидального модулированного потока излучения;А_Ф– площадь приемной площадки фоточувствительного элемента (кристалла).

Решение этого уравнения для установившегося процесса имеет вид

(5.70)

где первое слагаемое характеризует переменную составляющую прироста температуры, непосредственно определяющую значение сигнала в кристалле, а второе слагаемое – постоянную составляющую нагрева кристалла.

Возникающий при этом пироэлектрический ток

(5.71)

Вольтовая чувствительность принимает максимальное значение

(5.72)

на частоте .

Как следует из (5.68) –(5.72), решающее влияние на основные параметры пироэлектрических приемников оказывает значение пироэлектрического коэффициента.

Максимальное значение пироэлектрический коэффициент принимает при температуре кристалла, близкой к температуре фазового перехода (в точке Кюри).