Тепловые приемники оптического излучения

В тепловых приемниках оптического излучения (ТПОИ) поглощение потока излучения в чувствительном элементе приводит к появлению в нем температурного поля и, как следствие, к повышению его температуры. При таком изменении термодинамического состояния системы решетка — элек­троны увеличивается энергия электронов, кроме того, изменяются их электри­ческие свойства.

Спектральная чувствительность ТПОИ постоянна в широком спектраль­ном интервале, так как энергия фотонов преобразуется в тепло неселек­тивно (рис. 4.1,а).

Для увеличения абсолютной спектральной чувствительности ТПОИ необ­ходимо, чтобы чувствительный элемент поглощал все излучение вплоть до самых больших длин волн так, чтобы повышение температуры было прямо пропорционально полному поглощенному лучистому потоку. Для этого чувст­вительный элемент покрывают тонким слоем черни, приближая условия поглощения излучения к идеальным (как в абсолютно черном теле, когда поглощается все падающее на него излучение).

Рис. 4.1. Спектральная чувствительность ТПОИ (а) и схемы включения термоэлемен­тов (б, в): 1 — теоретическая; 2 — экспериментальная.

На практике спектральный интервал работы ТПОИ ограничен (рис. 4.1,a): — проницаемостью материала приемного элемента и про­пусканием окна ТПОИ; — ростом коэффициента отражения материала приемного элемента и также материалом окна ТПОИ.

ТПОИ делят на несколько групп: термоэлементы; болометры; оптико-акустические приемники; пироприемники, основанные на изменении поляризации пироактивного кристалла при воздействии на него модулированного лучистого потока; приемники на термоупругом эффекте кристаллического кварца (и других пьезокристаллов), основанные на появлении электриче­ской разности потенциалов на приемном элементе из-за термоупругих деформаций при облучении модулированным лучистым потоком; калориметры тепловые преобразователи изображения.

4.1. Термоэлементы

Принцип действия термоэлемента (ТЭ) основан на термоэлектрическом эффекте Зеебека, который заключается в появлении термо-ЭДС в цепи состоящей из двух разнородных по составу проводников, при нагреве, падающим лучистым потоком места их спая (рис. 4.1, в) [54, 55].

При наличии градиента температуры вдоль проводника электроны с горячего чего конца диффундируют в направлении, обратном температурному градиенту, так как имеют более высокую энергию и скорость, чем на холодном конце. В результате на холодном конце возникает отрицательный заряд, а на горячем — положительный. В полупроводниках это явление выражено еще сильнее, так как ЭДС электронного и дырочного полупроводнков складывается. У различных пар материалов значения термо-ЭДС неодинаковы. Для изготовления ТЭ используют различные металлические и полупроводниковые пары материалов. При сравнении пар пользуются уделы термо-ЭДС, характеризуемой ЭДС, возникающей при единичном температурном перепаде:

где ΔV_T — термо-ЭДС, возникающая при нагреве спая до температуры ΔТ,α_т- удельная термо-ЭДС ТЭ, численно равная разности потенциалов, возникающей при разности температур горячего и холодного спаев 1 К.

Удельная термо-ЭДС металлических ТЭ достигает 10 мкВ/К, у полупроводниковых ТЭ она значительно выше, так как число носителей с температурой в полупроводнике растет и токи (электронный и дырочный) складываются. Металлические ТЭ изготавливают из меди, никеля, висмута платины, кобальта, алюминия, тантала, серебра, сурьмы, железа, константа (сплава меди и никеля) и.т.д. Полупроводниковые — из сурьмы, кремния теллура, селена. Термоэлемент в простейшем случае работает так (рис. 4.1,в) на спай падает поток излучения ΔФ и вызывает разность температур и разность потенциалов ΔV_т=α_тΔТ. Через сопротивление нагрузки R_и потечет ток, который вызовет противоположный термоэлектрическому эффект, эффект Пельтье: при пропускании тока горячий спай охлаждается.

Если пренебречь эффектом Пельтье, то интегральная вольтовая чувствительность холостого хода

где α-коэффициент поглощения, σ_т-полная термическая проводимость спая].

При работе с модулированным лучистым потоком S_{V инт}= αα_т/(2πfC), где С-теплоемкость спая Дж/К.

Для увеличения вольтовой чувствительности надо увеличивать α, α_т и уменьшать σ_т: α увеличивают за счет чернения спая, а α_т уменьшают за счет вакуумирования приемного элемента. Кроме того применяют последовательное включение нескольких ТЭ (рис. 4.1, в).