Болометры

По истечении срока действия исключительного права результаты интеллектуальной деятельности переходят в общественное достояние (а не в порядке наследования). Такие результаты могут свободно использоваться любым лицом без чьего-либо согласия или разрешения и без выплаты вознаграждения за использование.

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

Дата добавления: 2014-01-07