Рис. 7.3. Устройство чувствительной ячейки анизотропного термоэлемента (&), болометра для абсолютных измерений (б) и его чувствительного элемента (в)

сурьмянистого кадмия 5, приклеенного хорошо отводящим тепло слоем 3 на массу 4.

В последние годы разработаны ТЭ на основе экструзированных полупроводниковых материалов (ТЭ конструкции Шварца). Полу­ проводниковые штыри таких ТЭ изготавливают из экструзирован­ ных материалов с малым сечением. Для отрицательной ветви ТЭ используют твердый раствор Ва2Т13 и Bi2Sb3, для положительной — твердый раствор Bi2Tl3 и Sb2Tl8.

§ 7.2. Болометры

Принцип действия болометра основан на изменении электриче­ ского сопротивления полупроводника или металла под действием падающего на него лучистого потока при изменении его темпера­ туры.

Чувствительный слой болометра выполняют обычно в виде металлической или полупроводниковой пленки, представляющей собой термосопротивление.

Конструктивно чаще всего болометр содержит два термочув­ ствительных сопротивления, одно из которых облучается лучистым потоком, а второе — компенсационное — компенсирует изменение температуры внешней среды.

Простейшим болометром может служить металлическая лента, температура и сопротивление которой при облучении лучистым

По аналогии с предыдущим можно найти значение сопротивле­ ния нагрузки при работе болометра с усилителем для максималь­ ной интегральной вольтовой чувствительности, которая возможна

при Я н = R-

При работе болометра с гальванической системой регистрации R n выбирают исходя из максимальной рассеиваемой на R H электри­

При мостовой схеме включения мост предварительно баланси­ руют: R \ R = R 2R &t. Облучение вызывает разбалансировку моста и появление сигнала на сопротивлении R H. Одновременное изменение R&t и из-за колебаний внешней температуры не нарушает разбалансировку моста. Мост питается переменным (от сотен до тысяч герц) или постоянным напряжением. При питании переменным напряжением сигнал усиливается на частоте питаю­ щего напряжения, а затем, после детектирования, — на частоте модуляции.

Основные параметры болометров — интегральная чувствитель­ ность, постоянная времени и пороговый поток. При работе боло­ метра с усилителем максимальная интегральная вольтовая чув­ ствительность при # н = R

Sv = Vh/Ф = ост Д7Тп/(4Ф).

Следовательно, окончательно вольтовая интегральная чувстви­ тельность

^~ 4 о т У*'

Коэффициент от включает в себя температурное излучение чувствительного слоя и составляющую теплопроводности подводя­ щих проводов. Уменьшают от при помощи вакуумирования (умень­ шаются потери на нагрев окружающего воздуха) и за счет тонких соединительных проводов с малой теплопроводностью.

Инерционность болометра определяется временем нагрева и охлаждения чувствительного слоя модулированными излучениями:

S v (f) = S vJ V l + (2nM 2>

где Sv0 — интегральная чувствительность болометра при отсут­ ствии модуляции лучистого потока; т — постоянная времени,

т= С/от.

Вкачестве материалов для металлических болометров исполь­ зуют платину, никель, золото, для полупроводниковых — сплавы окислов никеля, кобальта, марганца. Металлические болометры часто подсоединяют через трансформаторный вход, так как у них очень малое собственное сопротивление.

На рис. 7.3, б показано устройство болометра для абсолютных измерений оптического излучения, а на рис. 7.3, в — его приемного элемента. Поток излучения, падающий на чувствительный элемент болометра, поглощается не полностью, часть его отражается. Потери на отражение можно снизить, помещая чувствительный элемент в центр зеркальной полусферы. Поэтому центр чувстви­ тельного элемента 8 болометра должен быть совмещен с центром полусферы 7 (рис. 7.3, б). Для того чтобы зеркальная составляю­

щая отраженного излучения не попала на входное отверстие 6

вполусфере, чувствительный элемент должен составить с направ­ лением падающего на него излучения угол 9О°=Ь0. Применение зеркальной полусферы уменьшает потери излучения (они связаны с поглощением в отражающем покрытии и с уходом части излуче­ ния через отверстия в полусфере). Из-за уменьшения тепловых потерь, связанных с тепловым излучением самого элемента, так как полусфера возвращает обратно большую часть собственного излучения элемента, чувствительность болометра увеличивается.

Чувствительный элемент (рис. 7.3, в) состоит из слоя 9 (сплав висмута со свинцом), напыленного на нитролаковую подложку 13, покрытую сурьмяной или золотой чернью 12. Перед чувствитель­ ным элементом устанавливают черненую диафрагму 11, защищаю­ щую электроды 10 от попадания на них излучения, а позади него — черненую заслонку 14 для поглощения излучения, прошедшего мимо чувствительного элемента. Рассмотренный болометр работает

вобласти спектра 0,3— 20 мкм. Коэффициент поглощения чув­ ствительного элемента составляет 0,996— 0,998, интегральная чувствительность такого устройства 0,3 В/Вт. Болометрам при­ сущи тепловой, токовый и радиационный шумы, рассмотренные

выше. У металлических болометров преобладает тепловой шум, у полупроводниковых — токовый.

Глубокоохлаждаемые болометры. Пороговый поток идеальных тепловых ПИ определяется флуктуациями температуры чувстви­ тельного элемента и флуктуациями падающего на него излучения фона. Пороговый поток наиболее совершенных приемников-боло- метров, термо- и оптико-акустических элементов приближается к идеальному.

Пороговый поток тепловых ПИ существенно уменьшается при глубоком охлаждении чувствительного элемента, а также при ограничении углового поля и спектрального диапазона прини­ маемого излучения с помощью охлажденных диафрагм и фильтров. Глубокое охлаждение практически эффективно лишь для сверх­ проводящих и полупроводниковых болометров с достаточно боль­ шим ТКС в области низких температур. Кроме того, благодаря значительному уменьшению теплоемкости при низких температу­ рах глубокоохлаждаемые болометры обладают малой тепловой инерционностью.

Выбирая чувствительный элемент с минимальной теплоемко­ стью или уменьшая флуктуации его температуры, можно получить болометры с малой постоянной времени (до 10"8 с) или с малым пороговым потоком в единичной полосе частот (до 10“14 Вт/Гц1/2). Очевидно, при улучшении одного из этих параметров другой ухудшается, поэтому параметры глубокоохлаждаемых болометров находятся в промежутке между крайними значениями.

Сверхпроводящие болометры обладают большим ТКС в области перехода в сверхпроводящее состояние, малым сопротивлением и узкой температурной областью перехода. При малых постоянных времени и пороговом потоке необходима высокая стабилизация температуры и сложная усилительная аппаратура, что затрудняет эксплуатацию этих болометров.

Полупроводниковые глубокоохлаждаемые болометры имеют большие чувствительность и ТКС в широкой области низких тем­ ператур.

Болометры из аморфных материалов. Первый глубокоохлаждаемый полупроводниковый болометр, изготовленный В. С. Бойлом и Ф. Ф. Роджерсом из сердцевины угольного резистора, представ­ лял собой пластину толщиной 0,05 см и площадью 0,2 см2. Сопро­ тивление болометра при комнатной температуре составляло 50 Ом, ТКС при температуре 2 К а г = 2. Чувствительный элемент при­ клеивали к мейларовой пленке толщиной 25 мкм, наклеенной на медное основание, которое находилось в хорошем тепловом контакте с гелиевой ванной. Эта пленка электрически изолировала чувствительный элемент от медного основания и служила тепловым сопротивлением. Меняя толщину мейларовой пленки, можно было изменить теплопроводность и, следовательно, чувствительность и

связанных с температурными флуктуациями из-за пузырькового кипения жидкого гелия.

По такой схеме в дальнейшем реализовывали практически все полупроводниковые болометры. В графитовых болометрах не удалось достичь порогового потока, близкого к теоретическому, из-за сильного токового шума.

Поиски более совершенных материалов для глубокоохлаждаемых полупроводниковых болометров привели к созданию приемных элементов из стеклоуглерода, полученного высокотемпературной обработкой фенол формальдегидной смолы в атмосфере аргона. Материал представляет собой стеклообразный непрозрачный моно­ лит черного цвета. ТКС полученного материала в 100 раз больше, чем у болометров В. С. Бойла и Ф. Ф. Роджерса.

Чувствительный элемент такого болометра (3x5 мм) вырезали из тонкой пластины стеклоуглерода и подшлифовывали до толщины 100 мкм. К напыленному в вакууме золотому покрытию на концах чувствительного элемента индием припаивали медные токоподводы 0 0,12 мм. После напыления оставалась чувствительная площадка 3 x 3 мм. Чувствительный элемент подвешивали на токопроводах в вакуумной полости из латуни. Излучение подводили световодом из нержавеющей стали 0 12 мм с конусом на конце. Между кону­ сом и световодом помещали охлаждаемый фильтр из кристалли­ ческого кварца толщиной 1,5 мм, не пропускающий излучение 3,5— 50 мкм. На тепловом конце световода устанавливали окно из полиэтилена с сажей или из кремния. Всю систему помещали в малогабаритный стеклянный сосуд Дьюара с гелием. Болометр чувствителен в областях 1,3— 3,5 мкм и 0,7— 1,3 мм.

Монокристаллические полупроводниковые болометры. Прово­ димость полупроводникового приемника связана с температурой зависимостью

центрация носителей заряда.

Таким образом, проводимость меняется при изменении подвиж­ ности или концентрации носителей, поэтому монокристалличе­ ские полупроводниковые болометры делятся на электронные и обычные.

Работа э л е к т р о н н ы х б о л о м е т р о в основана на изменении подвижности носителей от температуры (болометры на «горячих» электронах), наблюдающейся в полупроводниках с малым количеством примесей и с высокой подвижностью носителей, которые слабо взаимодействуют с решеткой. В этих полупроводни­ ках состояние, близкое к состоянию теплового равновесия, легко нарушается перераспределением энергии за счет взаимодействия с излучением. Если излучение перекрывается, например диском модулятора, то носители охлаждаются до температуры решетки. Теплоемкость этой системы состоит из удельной теплоемкости носителей заряда, а теплопроводность определяется взаимодей­ ствием носителей с решеткой, служащей массивной тепловой ван­ ной. Электронные болометры изготавливают на основе п — InSb, они низкоомны, чувствительны в далекой ИК-области, селективны,

обладают достаточно высокой чувствительностью или малой по­ стоянной времени и возможностью расширять спектральную харак­ теристику чувствительности в более коротковолновую область при помещении чувствительного элемента в магнитное поле.

О б ы ч н ы е б о л о м е т р ы основаны на «прыжковой» проводимости, которая возникает в результате перехода носителя по примесному уровню от нейтрального атома к заряженному прыжком с некоторой энергией активации, пропорциональной ТКС Проводимость и ее зависимость от температуры определяются материалом решетки полупроводника, концентрацией и характе­ ром компенсирующей примеси. Обычные полупроводниковые болометры делают из компенсированного германия п- и р -типа с разным содержанием галлия, индия, сурьмы, мышьяка, а также из кремния и арсенида галлия. Концентрация примеси в германии составляет около 101в см"3. При уменьшении концентрации приме­ сей чрезмерно растет сопротивление болометра, а при ее увеличе­ нии нарушается механизм прыжковой проводимости: примесный уровень размывается в зону, а проводимость по зоне становится металлической с положительным ТКС. В кремнии концентрация примеси может быть значительно большей, чем в германии. Падаю­ щее на болометр излучение поглощается либо специальным покры­ тием, либо непосредственно решеткой и примесями чувствитель­ ного элемента. Чаще болометры охлаждают жидким Не4 до 1,2— 4,23 К, но можно использовать и Не3, дающий температуру 0,3 К.

Сообщение о первом глубокоохлаждаемом германиевом боло­ метре было опубликовано Ф. Дж< Лоу в 1961 г. Чувствительный элемент болометра выполняли из германия, легированного гал­ лием, охлаждали до 2 К, а для получения малой теплопроводности подвешивали на тонких золотых проводниках. Изготовление боло­ метров из германия, легированного галлием, показало, что их Ф ш изменяется от 10“ 18 до 10"*10 Вт Гц~ 1/2 в зависимости от темпе­ ратуры и размера чувствительного элемента, угла поля зрения и частоты модуляции (не превышающей 35 Гц).

Для приемников, работающих в коротковолновой области, чувствительный элемент помещают в интегрирующую полусферу или сферу. Для более глубокого охлаждения чувствительного элемента используют Не3: газообразный Не3 конденсируется в камере, охлажденной жидким Не4 до 1,2 К, и температура боло­ метра становится 0,3 К. Болометры, охлаждаемые жидким Не8,— самые чувствительные, но из-за сложности системы охлаждения их применяют пока только в уникальных исследованиях.

Благодаря тому что прыжковая проводимость кремния сохра­ няется при больших концентрациях, коэффициент связанного с этой проводимостью примесного поглощения кремния в широкой области спектра значительно больше, чем у германия. Поэтому кремниевые болометры можно делать более тонкими, а следова­ тельно, менее инерционными. Удельная теплоемкость кремния при глубоком охлаждении гораздо меньше, чем у германия.