4.2. Болометры

Принцип действия болометра основан на изменении электрического сопротивления полупроводника или металла под действием падающего на него потока излучения при изменении его температуры.

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

Конструктивно болометр чаще всего содержит два термосопротивления, одно из которых облучает поток излучения, а второе — компенсационное — компенсирует изменение температуры внешней среды.

Простейшим болометром может служить металлическая лента, температура и сопротивление которой при облучении потоком излучения меняются

где R₀-сопротивление проводника при температуре Т₀;α_Т-температурный коэффициент сопротивления.

Изменение сопротивления

(4.5)

Откуда относительное изменение сопротивления

Температурный коэффициент сопротивления (ТКС) для металлов обратно пропорционален температуре в широком диапазоне температур: α_τ=1/Г Для комнатной температуры (300 К) α_τ= 1/300 = 0,0033 град^-1. Сопротивление полупроводников R в некотором ограниченном диапазоне температур изменяется по экспоненциальному закону:

(4.6)

(4.7)

где В = 3000 К; R_o — сопротивление полупроводника при T_о; ΔR — изменение сопротивления полупроводника при изменении его температуры на ΔT. Поделив уравнение (4.7) на (4.6), получим

(4.6)

так как R отличается от R₀ на малую величину.

Для большинства полупроводников .

Таким образом, у полупроводников ТКС отрицателен, а его абсолютное значение больше, чем у металлов. При комнатной температуре (300 К) ТКС полупроводника = —3000/300² ≈ —0,033 град^-1, т. е. на порядок больше, чем у металлов. Поэтому полупроводниковые болометры обладают большей чувствительностью, чем металлические. Схемы включения болометров аналогичны ФР (см. рис. 2.5).

Поток излучения, регистрируемый болометрами, обычно модулируется, так как постоянная времени болометров намного меньше, чем у ТЭ. Это позволяет использовать усилители переменного тока.

Определим абсолютное значение приращения сигнала на нагрузке R_H при облучении болометра по схеме его включения, аналогичной ФР (см.рис. 2.5,а). Ток в цепи болометра

(4.9)

где V_n-напряжение питания.

При облучении болометра потоком излучения ΔФ изменится его сопротивление и, следовательно, ток в цепи. Продифференцировав выражение (4.9), получим приращение тока

При мостовой схеме включения мост предварительно балансируют: R₁R_σ1 = R₂R_σ2 Облучение вызывает разбалансировку моста и появление сигнала на сопротивлении R_н. Одновременное изменение R_σ1 и R_σ2 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 питающего напряжения, а затем, после детектирования,— на частоте модуляции.

Основные параметры болометров — интегральная чувствительность, постоянная времени и пороговый поток. При работе болометра с усилителем максимальная интегральная вольтовая чувствительность при R_н = R

Коэффициент включает в себя температурное излучение чувствитеного слоя и составляющую теплопроводности подводящих проводов. Уменьшение осуществляют при помощи вакуумирования (уменьшаются потерь на нагрев окружающего воздуха) и за счет тонких соединительных проводов с малой теплопроводностью.

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

где -интегральная чувствительность болометра при отсутствии модуляции лучистого потока; -постоянная времени.

В качестве материалов для металлических болометров используют 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.

Г'лубокоохлаждаемые болометры Пороговый поток идеальных тепловых ПОИ определяется флуктуациями температуры чувствительного элемента и флуктуациями падающего на него излучения фона. Пороговый поток наиболее совершенных приемников-болометров, термо- и оптико-акустических элементов приближается к идеальному.

Таблица 4.2