Кремний более технологичен, так как менее чувствителен к загряз­ нению и несовершенному состоянию поверхности, для него разра­ ботаны надежные способы защиты поверхности и осуществления контактов. В результате токовой шум кремниевых болометров понижен и наблюдается в области самых низких частот.

Болометры с выделенной чувствительной площадкой. Во всех полупроводниковых болометрах излучение поглощает либо чув­ ствительный элемент, либо покрытие на чувствительной поверх­ ности. В этом случае теплоемкость чувствительного элемента, определяемая массой кристалла, достаточно велика. Плодотворной оказалась идея выделить приемную площадку, а полупроводнико­ вый элемент соединить с ней и использовать как терморезистор.

На этом принципе Н. Корон, Г. Дамбиер и Дж. Леблан создали новый тип глубокоохлаждаемого болометра с приемной площадкой из медной или бериллиевой фольги толщиной 3 мкм и диаметром 2 мм, покрытой чернью (тонким слоем феррита). В середине пер­ пендикулярно к площадке припаян терморезистор из германия размером 100 X 100x400 мкм. Площадка подвешена на тонких проволоках с низкой теплопроводностью и закреплена так, чтобы при вибрациях не возникало микрофонного эффекта в контактах

игермании. Чувствительный элемент расположен в интегрирую­ щей сфере, куда излучение поступает через линзу из кварца или полиэтилена. При малых уровнях фона такой болометр чувстви­ тельнее, а при больших — менее инерционен, чем обычные.

Сверхпроводящие болометры. Такие болометры основаны на резком изменении сопротивления при переходе от нормального состояния к сверхпроводящему с уменьшением температуры до значений, близких к нулю Кельвина. При этом удельное сопро­ тивление почти полностью исчезает. Сверхпроводящее и нормаль­ ное состояния являются двумя фазами вещества, переходящими одна в другую при определенных сочетаниях значений температуры

инапряженности магнитного поля. Сверхпроводимость рассматри­ вается как сверхтекучесть электронов проводимости в веществе, которые при особом взаимодействии друг с другом могут взаимно притягиваться и образовывать связанную массу. Эта масса не может отдавать энергию малыми порциями, так как электроны при тепловых колебаниях ионов решетки не рассеиваются. В каче­ стве материалов для сверхпроводящих болометров используют тантал, нитрид ниобия, нитрид Колумбия при температуре, мень­ шей 14 К. В переходном диапазоне температур ТКС может дости­ гать 50К"1 (у чистых сверхпроводников переходная область 10~3К).

Сверхпроводящие болометры благодаря высокой чувствительно­ сти перспективны для исследований в дальней ИК-области спектра.

§ 7.3. Оптико-акустические приемники излучения

Принцип работы оптико-акустического приемника излучения (ОАП) заключается в том, что падающий лучистый поток изменяет температуру заключенного в специальной камере газа, который

Рис. 7.4. Устройство селективного ОАП (а) и неселективного ОАП кон­ струкции ГОИ (б)

вследствие этого изменяет свой объем. Одна из стенок камеры сде­ лана в виде тонкой и гибкой пленки — мембраны. Изменяя объем, газ деформирует мембрану, и эту деформацию можно зарегистри­ ровать различными способами.

Селективные ОАП. У селективного приемника излучение погло­ щает сам газ, поэтому спектральная чувствительность приемника определяется спектром поглощения наполняющего газа. Так как в газе поглощение излучения селективно, т. е. поглощается излу­ чение только тех частот, которые соответствуют частотам колебаний и вращения молекул, подобные приемники используют в качестве элементов газоанализаторов. Заполняя полость газом с нужными селективными полосами поглощения, можно получить приемник, чувствительный лишь к определенным длинам волн. Постоянная времени такого приемника (рис. 7.4, а) позволяет работать с час­ тотами модуляции лучистого потока до 50 Гц.

Измеряемый лучистый поток 1, промодулированный диском 2, через флюоритовое окно 3 попадает в камеру 4 с газом 5. Под воздействием лучистого потока давление газа на мембрану 6 меняется, создавая в микрофоне 7 электрические сигналы, усили­ ваемые усилителем 8 и регистрируемые на регистраторе 9.

В ближней и средней ИК-областях спектра подобный приемник интереса не представляет, так как вытесняется более чувствитель­ ными фотонными приемниками, поэтому применяют его в дальней ИК-области спектра.

Неселективные ОАП. Промышленность выпускает в основном неселективные ОАП, предназначенные для спектральных прибо­

ров, работающих в диапазоне 5— 1000 мкм. Такой ОАП (рис. 7.4, б) состоит из двух рабочих камер 19 и 20, наполненных газом. Реги­ стрируемое излучение через окно 10 из бромистого калия или кристаллического кварца в зависимости от спектрального диапа­ зона работы падает на органическую пленку 11 толщиной 0,1 мкм с поглощающим излучение алюминиевым слоем. Под действием лучей пленка нагревается и нагревает газ камеры 20, который, расширяясь, деформирует пленку 11 и вызывает изменение давле­ ния газа в камере 19, передающееся на органическую мембрану 13 с отражающим слоем сурьмы толщиной 0,1 мкм.

Деформация мембраны 13, пропорциональная измеряемому потоку Ф, преобразуется фотоэлектрическим усилителем в элек­ трический сигнал. При отсутствии измеряемого потока Ф прозрач­ ные, освещаемые лампой 16 через конденсор 15, штрихи верхней части растра 14 проектируются объективом и мембраной 13 на непрозрачные штрихи нижней части растра в положение 18, и световой поток не попадает в приемник 17 (ФЭУ-2). При наличии измеряемого потока мембрана изгибается и часть лучей, отразив­ шись от нее, попадает на прозрачные участки нижней части растра 14 и зеркалом направляется на ФЭУ-2, в цепи которого появляется ток, пропорциональный потоку излучения лампы, отраженному от мембраны и прошедшему через нижнюю часть растра 14. Этот поток пропорционален прогибу мембраны 13, определяемому измеряемым потоком Ф . Канал 12 с отводом служит для наполнения камеры 19 газом и компенсации изменения внутреннего давления при изменении температуры окружающей среды. Камеру 20 наполняют ксеноном, так как этот газ обеспечивает максимальную чувствительность на частоте 10 Гц.

Шум, а следовательно, и пороговая чувствительность ОАП ГОИ зависят от амплитуды сигнала, так как возрастают дробовые шумы ФЭУ. При сигнале от потока 80 Ф ПОр ШУМ возрастает в два, а при 250 Ф ПОр — в три раза. В связи с этим ОАП ГОИ следует использовать для регистрации слабых потоков, превышающих пороговое значение в 20—40 раз.

В настоящее время ОАП широко используют для научных исследований в среднем и дальнем инфракрасном диапазонах спектра.

§7.4. Пироэлектрические приемники

Впоследние годы начали применять новый тепловой неселек­ тивный приемник ИК-излучения — пироэлектрический (ППИ), приемным элементом в котором служат пироэлектрические кри­

сталлы титаната бария ВаТЮ 3 с примесями, триглицин сульфата (N H 2CH 2C 00H )3H 2S04, ниобат лития LiN b03 и т. д. Особенность пироэлектрических кристаллов состоит в их спонтанной (само­ произвольной) поляризации при отсутствии внешних электриче­ ских полей. При постоянной температуре эту поляризацию нельзя

обнаружить по наличию поверхностных зарядов, так как послед­ ние компенсируются объемной и поверхностной проводимостью кристалла. Однако спонтанная поляризация пирокристаллов зависит от температуры и при ее измерении на гранях кристалла, перпендикулярных к полярной оси, могут быть обнаружены заряды. В этом и состоит пироэлектрический эффект.

К пироэлектрическим кристаллам принадлежат и сегнетоэлектрики (сегнетова соль и т. д.), но они характеризуются обратимой спонтанной поляризацией. При наличии поля, большего опреде­ ленного (коэрцитивного), направление поляризации сегнетоэлектрика можно изменить на противоположное. У линейных же пиро­ электриков никакие поля, вплоть до пробивных, не могут переполяризовать кристалл.

Для пироэлектрических кристаллов характерно наличие одного или нескольких фазовых переходов. Фазовый переход характери­ зуется обычно поглощением и выделением теплоты и изменением удельного объема, причем одно состояние сменяется другим. У титаната бария, например, несколько фазовых переходов, но лишь один из них (при температуре Кюри) пироэлектрический. Выше 393 К кристалл титаната бария принадлежит к центросим­ метричному классу кубической системы.

При охлаждении кристалла ВаТЮ 3 ниже точки Кюри его куби­ ческая кристаллическая решетка переходит в тетрагональную и он спонтанно поляризуется. Вектор спонтанной поляризации Рс направлен вдоль полярной оси. Наиболее правильно рассматри­ вать пироэлектрический ПИ как систему с распределенными параметрами.

В зависимости от направления вектора поляризации Рс при облучении ПИ лучистым потоком различают пироэлектри­ ческие ПИ продольного и поперечного типов.

Чувствительность ПИ продольного типа выше, чем попереч­ ного. Однако, так как у приемников продольного типа больше ем­ кость (определяется площадью электродов), чем у ПИ поперечного типа, постоянная времени ПИ поперечного типа меньше: тпр = = 10“5 -т- Ю”в; тпоп = 10-7-г-10“8 с. Кроме того, ПИ поперечного типа можно изготовлять без черни на собственном поглощении, что также снижает их инерционность. При использовании золотой

ПИ I — сложная функция физических характеристик кристалла, его геометрических размеров и условий теплообмена со средой. Значение / зависит от двух основных факторов — среднего при­ роста температуры приемного элемента и скорости изменения при­ роста температуры. Средний прирост температуры пироэлектри­ ческого ПИ как теплового обратно пропорционален частоте моду­ ляции, но скорость его изменения прямо пропорциональна частоте модуляции.

гбатываются.

имеют очень важное значение, так как они неселективны. Их изго­ тавливают в виде черного тела конусообразной или сферической формы (рис. 7.7, а, б). Коэффициент поглощения может достигать 0,999. Пироэлектрические приемники полного поглощения несе­ лективны в широком спектральном интервале, о чем свидетель­ ствует рис. 7.7, в, где сравнивается их спектральная характерис­ тика тока сигнала с характеристиками болометров.

Многоэлементные ППИ. Многоэлементный ППИ состоит из 25 и более чувствительных элементов, расположенных с зазором 0,05 мм при размере элемента 3 x 3 мм. Каждый из чувствительных элементов имеет свой предварительный усилитель. Размер элек­ тродов совпадает с размером пироактивного кристалла, что умень­ шает теплоемкость элемента и дает возможность монтировать элементы с минимальными межэлементными зазорами. За счет применения лакосажевой проводящей композиции функции про-