Рис. 7.7. Пироэлектрические прием­ ники полного поглощения сферическо­ го (а) и конусообразного поперечного

(б) типов и относительные спектраль­ ные характеристики тока сигнала не­ которых болометров, измеренные по отношению к эталонному пироэлек­ трическому приемнику полного погло­

щения (в):

1 — ППИ; 2 — полупроводниковый боло­ метр; 3 — висмутовый болометр

водящего электрода совмещаются с функциями поглощающего покрытия.

Чувствительные элементы укреплены на основании из органи­ ческого стекла при помощи серебряного контакта. Сигналы с них снимаются через электрически изолированные от основания кон­ такты из красной меди. Чувствительные элементы мозаики защи­ щены плоским окном из германия. Диаметр прибора (вместе с предусилителями) 40 мм, его длина 70 мм.

§ 7.5. Радиационные калориметры

Принцип действия радиационного калориметра состоит в теп­ ловом воздействии потока излучения на массивный, конструктивно развитый приемный элемент, повышение температуры которого, пропорциональное потоку излучения, измеряется с помощью тер­ мопар, термосопротивлений, пироактивных элементов либо ем­ костных датчиков. По форме приемного элемента радиационные калориметры делят на плоские и полостные, а по виду агрегатного состояния материала приемного элемента — на твердотельные и комбинированные, когда в твердотельной оболочке за прозрач­ ным входным окном содержатся поглощающий газ или жидкость.

В комбинированных радиационных калориметрах излучение поглощается объемным поглотителем, и они выдерживают большие лучевые нагрузки. Такие калориметры можно использовать как «проходные», работающие на пропускание. К объемным поглоти-

Рис. 7.8. Устройство некоторых типов отечественных калориметров

телям относят также твердотельные поглотители из прозрачного материала. Наиболее распространены радиационные калориметры для измерения усредняемых во времени энергетических парамет­ ров лазерного излучения — энергии и средней мощности. Разли­ чают калориметры переменной температуры (неизотермические) и постоянной температуры (изотермические).

Радиационные калориметры энергии переменной температуры работают в режиме измерения энергии однократных импульсов лазерного излучения. Они вырабатывают выходной электрический сигнал в виде амплитудного значения напряжения, пропорцио­ нальный максимальному значению приращения температуры чувствительного элемента за счет поглощенной энергии импульса. Уравнение преобразования такого калориметра

Ушах = QnS + VH,

где Vm&x — максимальное значение э. д. с. термобатареи или паде­ ние напряжения на термометре сопротивления после взаимодей­ ствия энергии импульса QH с приемным элементом; S — коэффи­ циент преобразования энергии в электрический сигнал, или вольто­ вая чувствительность калориметра; Vn — начальное значение напряжения до воздействия импульса.

Наиболее простой и распространенный радиационный калори­ метр ЭП-50 имеет плоский (алюминиевый, черненый) приемный элемент в виде пластины 49x49 мм (рис. 7.8, а).

Чувствительный элемент 2 — термоэлектрическая медно-кон- стантановая термобатарея — содержит более 2000 термопар. «Горя­ чие» спаи термобатареи соединены с приемным элементом У, а «холодные» — с пассивным термостатом 3. ЭП-50 не имеет встро­ енного калибровочного электронагревателя замещения. Близки по конструктивному оформлению радиационные калориметры лазерного излучения ТПИ-2-5, ТПИ-2-7 и ТПИ-2М с приемными

канавки треугольной формы для повышения поглощения градуи­ ровки калориметра методом замещения. Чувствительный эле­ мент— хромель-копелевая термобатарея 8 (от 60 до 100 термо­ пар). В приемный элемент 4 помещен нагреватель замещения 5.

Оболочка преобразователя 7 изготовлена из дюралюминия (квадрат 60x60 мм) и в нее «утоплен» приемный элемент 4. Зер­ кальные поверхности скошенных граней оболочки отражают излу­ чение, попадающее в зазор между приемным элементом и самой оболочкой, на приемный элемент. Квадратная форма оболочки с радиатором позволяет собирать калориметрические блоки в виде панелей из отдельных преобразователей. «Горячие» спаи термопар отделены от приемного элемента 4 втулками 6 из теплоизоляцион­ ного материала для приближения режима остывания приемного элемента к регулярному в момент получения измерительной информации. У ТПИ-2А втулки 6 заменены кольцом. В преобра­ зователях ПК-50, КДС и БКД применены объемные поглоти­ тели из дымчатого стекла, а в ИЖК-1 — раствор медного ку ­ пороса.

Из полостных радиационных калориметров наиболее распро­ странены серийно выпускаемый промышленностью ИМО-2 с при­ емным элементом в виде медного конуса 9, с поглощающим покры­ тием (рис. 7.8, в), со встроенным электрическим нагревателем замещения 10 и медно-константановой батареей 11, содержащей 2000 термопар, равномерно распределенных между наружной поверхностью приемного элемента и поверхностью пассивной теплоемкости 12. Конические приемные элементы имеют преобра­

снижается за счет большой поверхности конуса при малом угле раскрытия, что увеличивает динамический диапазон его работы. В ИКТ-1М ставят элемент из сапфира, предварительно рассеиваю­ щий излучение лазера, попадающее в конус. Для измерения сред­ ней мощности лазерного излучения можно использовать ИМО-2, так как у него большое число коротких электродов термобатареи, осуществляющих сток тепла от конуса к оболочке и далее в окру­ жающую среду.

Для измерения слабой средней мощности применяют ОИМ-1 (рис. 7.8, г), с комбинированной формой приемного элемента

(сфера с обратным конусом), выполненного из меди с поглощающим покрытием 15.

ОИМ-1 имеет рабочий и компенсационный элементы со встроен­ ными электрическими обмотками для замещения 14 с термопар­ ными батареями 13 и пассивным термостатом 16.

Для больших уровней средней мощности применяют приемные элементы в виде графитовых стержней (ТПИ-5), один торец которых воспринимает излучение, а другой омывает термостатированная жидкость. Температуру стержня измеряют хромель-копелевой термобатареей. У ТПИ-14 и ТПИ-10 приемный стержень изготав­ ливают из алюминия с поглощающим покрытием на облучаемом торце. У калориметров типа ТПИ оболочку активно охлаждают водой.

Для измерения энергии и средней мощности излучения исполь­ зуют также изотермические калориметры, основанные на эффекте фазового перехода вещества, называемые радиационными калори­ метрами постоянной температуры. Принцип действия таких кало­ риметров состоит в измерении количества калориметрического вещества, перешедшего под действием поглощенной энергии излу­ чения в другую фазу: твердое тело — в жидкость и жидкость — в пар. Подобные калориметры работают в диапазоне 3— 300 Дж

схорошей воспроизводимостью.

§7.6 Приемники на основе термоупругого эффекта в кристаллическом кварце

Приемники на основе термоупругого эффекта в кристалличе­ ском кварце (ПТЭК) разработаны в Ленинградском институте точной механики и оптики на кафедре оптико-электронных при­ боров.

Кристаллический кварц не является пироэлектриком, и меха­ низм появления на нем электрической разности потенциалов при облучении модулированным или импульсным лучистым потоком имеет другую физическую основу — термоупругий эффект, что было впервые доказано в работах Г. Г. Ишанина, на основе кото­ рых был создан измеритель «Кварц-1». Дальнейшие теоретические

иэкспериментальные работы в этом направлении Г. Г. Ишанина

иГ. В. Польщикова привели к созданию серии измерителей на основе ПТЭК различного назначения: «Кварц-2», «Кварц-2 М», «Кварц-2А», ИМИ-100, дифференциальных и мозаичных приемни­

ков (см. табл. 7.1). Разработанные ПТЭК стабильны в работе и могут использоваться как образцовые для паспортизации мощ­ ных источников излучения и лазеров. Спектральный диапазон их работы — 0,4— 20 мкм, динамический диапазон при непрерыв­ ном модулированном потоке излучения — от 10 мкВт/сма до 300 Вт/см2, постоянная времени — до 10"в с.

В качестве приемного элемента в ПТЭК используют кристал­ лический кварц. Он стабилен в работе: не меняет свои свойства

с течением времени, не подвержен влиянию электрических и ма­ гнитных полей.

На переднюю поверхность кварцевой пластинки наносят токо­ проводящее покрытие и покрытие, поглощающее излучения в широком спектральном интервале. С электрической точки зре­ ния подобная система представляет собой конденсатор, в котором диэлектриком является пластинка кристаллического кварца, а обкладками — металлический демпфер и токопроводящее покры­ тие. Если такая система находится в механическом и тепловом равновесии, то напряжение на этом конденсаторе равно нулю. При облучении приемной площадки импульсным, импульсномодулированным или другим нестационарным лучистым потоком в приемном элементе возникает сложное нестационарное тепловое поле.

Процесс преобразования падающего лучистого потока Ф (t)

вэнергию теплового поля определяется материалом и структурой поглощающего покрытия. От него зависит спектральная харак­ теристика приемника.

Нестационарное во времени и пространстве тепловое поле вы­ зовет в кристаллическом кварце нестационарные механические напряжения, которые приведут к изменению вектора поляриза­ ции кристаллического кварца и, как следствие, — к появлению электрической разности потенциалов на электродах. Наличие нескольких последовательных преобразований энергии, безус­ ловно, снижает чувствительность приемника. Но необходимо отме­ тить, что они происходят в кристаллическом кварце — материале, характеризующемся хорошей стабильностью физических свойств

вшироком динамическом диапазоне. Это обусловливает стабиль­ ность и линейность характеристик ПТЭК.

Время релаксации электрона в материалах, используемых для

поглощения падающего лучистого потока, составляет порядка 10~п с и, следовательно, не ухудшает частотных свойств ПТЭК. Постоянная времени кристаллического кварца как электромеха­ нического преобразователя составляет 10~13— 10-14 с. Наиболее инерционен процесс распространения тепловой энергии от погло­ щающего покрытия через электрод до кварцевой пластинки с по­ следующим отводом ее в теплоотводящий демпфер. Эти процессы и определяют постоянные времени приемника тнар и тсп.

Как показали исследования, разность потенциалов на прием­ нике возникает в основном из-за термоупругих механических на­ пряжений, направленных вдоль оси Y. Механические напряжения вдоль оптической оси Z разности потенциалов не вызывают из-за особенностей строения кристаллической решетки кварца. Однако на сигнал, возникающий на приемном элементе, влияют и другие явления, которые при определенных условиях могут стать суще­

Максимальные электрические заряды возникают при механи­ ческом воздействии на концах полярной оси, поэтому необходимо вырезать пластинку для приемника на термоупругом эффекте так, чтобы пара плоскостей была перпендикулярна к полярной оси, а ребро — параллельно полярной оси X . Это пластинка с так называемым Х-срезом.

Такая пластинка обладает следующими свойствами: при сжатии

внаправлении X на обеих нормальных к ней поверхностях возни­ кают соответственно положительный и отрицательный электри­ ческие заряды (прямой продольный пьезоэффект); при растяжении

внаправлении оси Y на поверхностях возникают заряды тех же знаков (прямой поперечный пьезоэффект); этот эффект и вносит основной вклад в появление разности потенциалов в приемнике; при растяжении в первом случае и сжатии во втором заряды на поверхности меняют свои знаки на обратные; сжатие и растяжение по оси Z не вызывают пьезоэлектрического эффекта.

Линейность амплитудной характеристики термоупругого эле­ мента в значительной степени зависит от постоянства его пьезо­ коэффициентов (dn , d14 и т. д.). Кварц в этом отношении сохра­ няет значение пьезокоэффициента dn с погрешностью до 0 , 1% вплоть до давлений 0,035 Па. При понижении температуры от комнатной до — 192 °С dn изменяется не более чем на 2%. При

предполагают, что на приемник, представляющий собой однород­ ное полупространство, падает синусоидально-модулированный не­ ограниченный и равномерный поток излучения. Считаем, что теплофизические характеристики кварца не меняются, а прием­ ный электрод пренебрежимо мало влияет на частотные свойства приемника. Это вполне справедливо для толщин приемного элек­ трода, не больших 0,1 мкм.

где v = v (хуt) — нестационарное одномерное тепловое поле полу­ пространства; t — время, с; а: — координата; С — удельная теп­ лоемкость, Дж/(г-град); у — плотность, г/см3; X — коэффициент теплопроводности, Дж/(см-с-град); а = Х/(сХ) — коэффициент тем­ пературопроводности, см2/с.

Для решения уравнения теплопроводности необходимо исполь­ зовать граничные условия второго рода, т. е. задается тепловой поток через любую точку поверхности тела: входящий тепловой поток — через облученность Е и коэффициент поглощения £п, а выходящий — через среднюю мощность излучения. Ввиду емко­ стного характера приемника интересна только нестационарная составляющая теплового поля; при задании граничных условий

где an — коэффициент температуропроводности кристаллического кварца в направлении, перпендикулярном к оптической оси Z, см2/с; f — частота модуляции лучистого потока, Гц.

Из теории теплопроводности известно, что при одномерном поле связь между удельным тепловым потоком q и температурой на поверхности при гармоническом воздействии будет

Такое представление правомерно, так как приемник не реаги­ рует на постоянную составляющую теплового поля, а модулятор лучистого потока преобразует стационарный поток в нестацио­ нарный со сложным спектром отдельных гармонических состав­ ляющих. Так как коэффициент преобразования и спектр зависят от конкретного типа модулятора, то целесообразно рассматри­ вать отдельную гармоническую составляющую потока излучения.

Удельный тепловой поток q (в Вт/см2) связан с облученностью Е через коэффициент поглощения kn:

Выражение (7.12) с учетом (7.13) будет

Температура полупространства приемника в этом случае также меняется по гармоническому закону, так как уравнение (4.11) линейно, а теплофизические характеристики приемника считаем постоянными, т. е.

Р.20)

Подставляя значение vmax в уравнение (7.15) для теплового поля с учетом того, что ср == я/4, получим

„(д, = ^ z ~ V l ^ c o s { 2 n f - У ^ - х + -J-).

— угя//а11д + я/4) характеризует температурное поле в прием­ нике. Из анализа множителя следует, что в любой момент вре­ мени распределение температур в приемнике получается в виде волны, амплитуда которой уменьшается с глубиной, в соответ­

где Z = l/f — продолжительность полного колебания темпера­ туры. Тогда

V' = 2 У пац/Z = 2 У nan f>

Связь между нестационарной составляющей теплового поля и механическим напряжением в кварцевой пластинке можно найти через термоупругий потенциал перемещений F:

Зная поле термоупругих напряжений, определяем поле поля­ ризации кристалла кварца. В данном случае необходимо вычи-

слить только одну составляющую поля поляризации Р х:

Рх = ^иахх — dudyy -(- d14ayz,

где dn и d14 — пьезомодули кварца. Если учесть одномерность поля термоупругих напряжений, то

Напряжение V между обкладками плоского конденсатора,

состоящего из термоупругого элемента из кристаллического кварца X -среза,

В окончательном выражении (7.26) для амплитудно-фазоча­ стотной характеристики сомножитель 1// характеризует нара­ стание электрической разности потенциалов на ПТЭК с уменьше­ нием частоты на холостом ходу, что присуще тепловым приемни­ кам. Сомножитель в числителе искажает идеальную частотную характеристику 1// холостого хода ПТЭК.

Так как R yT > 1012 Ом, им можно пренебречь. Модуль комп­ лексного напряжения в этом случае

I V.X |= |Vnp 12я/ЯвхСпр/ / 1 + 4я2/2Я1х (Свх + а р)2, (7.27)

а фазовый сдвиг от реакции электрической цепи <рэ = arctg {1/[ 2 nfR BX (Свх + Спр)]},

С учетом формул (7.26) и (7.27) получим следующее общее выражение для вольтовой чувствительности:

.9.. — -Увх =

kka[exp (-2Y ^ h)~2еХр [~V^ A) C0S [V| f A) + 1']

B[i + 4 * Y R I{ C** + Cnvn i/2

где k = кхйц; В — площадь приемной площадки. В полученном выражении отсутствует множитель 1//, так как в данном случае спад частотной характеристики апериодического звена первого порядка R BT (Свх + СПр), складываясь с ростом интегрирующей характеристики ПТЭК, обеспечивает равномерность чувствитель­ ной характеристики в широком диапазоне. Вольтовая чувстви­ тельность с уменьшением площадки увеличивается. Это справед­ ливо до d : h = 10 : 1, так как при меньшем соотношении диа­ метра пластинки и толщины появятся поперечные деформации, уменьшающие дуу. Площадь ПТЭК из условия максимальной вольтовой чувствительности следует брать £ mln = 10%2.