2.3.3. Устройство основных видов тепловых приемников излучения

В простейшем случае термоэлектрический приемник излучения (радиационный термоэлемент) представляет собой (рис. 2.3, а) спай двух термоэлектродов 3 и 4, которые выполнены из различных материалов (чистых металлов, сплавов или полупроводников) и могут иметь вид проволоки, ленты, пленки или стержней [5]. Термоспай находится в надежном тепловом контакте с приемной площадкой 2, изготовленной из материалов с высокой теплопроводностью (алюминия, меди, серебра или их сплавов). Спай, контактирующий с площадкой, обычно называют «горячим» или «активным». Холодные концы термопары (или ее «холодный» спай) находится в тепловом контакте с массивными металлическими держателями 5, которые имеют температуру окружающей среды и одновременно являются пассивным термостатом (или рассеивателем тепла) и электрическими выводами. На рис. 2.3, б, в изображены чувствительные элементы (ЧЭ) многоспайных термоэлектрических приемников, в которых для измерения избыточной температуры площадки 2 использована термобатарея 3, составленная из последовательно включенных термопар. Все горячие спаи термобатареи находятся в контакте с площадкой, а холодные спаи приведены в надежный тепловой контакт с общим для них массивным металлическим основанием (рассеивателем) 5; при этом поверхность рассеивателя электрически изолируется, а холодные спаи погружаются в слой клея 4. Такое устройство позволяет располагать горячие (и холодные) спаи как по периметру приемной площадки, так и равномерно по ее поверхности; первый способ – радиальное расположение спаев (рис. 2.3, в) – позволяет сократить размер приемника в осевом направлении; второй (рис. 2.3, б) – обеспечивает лучшую равномерность чувствительности по поверхности поглотителя, что особенно важно в приемниках импульсного излучения.

В болометрах (или, например, в пироэлектрических приемниках) термочувствительный элемент 1 также может иметь форму проволоки, ленты, пленки (рис. 2.3, г) или таблетки (рис. 2.3, д), закрепленных только на концах или всей поверхностью контактирующих с основанием 2, т.е. подложкой [6], нередко играющей также роль рассеивателя тепла (см. рис. 2.3, д). Чувствительный элемент любого теплового приемника, содержащего площадку, термометр и рассеиватель, для защиты от влияния окружающей среды размещается в корпусе 6 (см. рис. 2.3, а), который может быть герметизирован и снабжен входным окном 1, прозрачным для излучения в заданной области спектра [2.21]. На фронтальную поверхность площадки, воспринимающей поток излучения, в тепловых приемниках, как правило, наносится поглощающее покрытие (иначе зачернитель).

2.3.4. Термоэлектрические приемники излучения

Действие наиболее распространенных термоэлектрических приемников излучения основано на термоэлектрическом эффекте Зеебека, который при замыкании электрической цепи приемника сопровождается эффектами Пельтье и Томсона. Возникновение термоЭДС на зажимах термопары, содержащей два термоэлектрода из разнородных материалов (металлов, их сплавов или полупроводников), спаи которых поддерживаются при различных температурах (рис. 2.4), обусловлено различием средней тепловой энергии носителей заряда в электродах (в полупроводниках, кроме того, еще и различием концентраций носителей). Под влиянием градиента температуры по длине термоэлектродов возбуждается диффузия носителей заряда из горячей области электродов в холодную, возникает разделение зарядов и внутреннее электрическое поле, которое вызывает дрейф носителей заряда в направлении, противоположном их диффузионному потоку. Состояние равновесия устанавливается при равенстве диффузионного и дрейфового потоков носителей. В ограниченной области температур эффект Зеебека характеризуется линейной зависимостью термоЭДС от разности температур (избыточной температуры) между горячими и холодными спаями термопары

, (2.21)

где - удельная термоЭДС пары, в общем случае зависящая от свойств материалов термопары и их температуры.

Эффект Пельтье состоит в выделении (или поглощении) мощности, дополнительной к мощности Джоуля, при протекании тока через неоднородную или анизотропную среду. Простейший и наиболее частый на практике пример неоднородной среды – это спай термопары. Эффект Пельтье обусловлен тем, что в контактирующих материалах средняя энергия носителей заряда, определяемая их энергетическим спектром, концентрацией и закономерностями их рассеяния в решетке, имеет различные значения. Поэтому протекание тока через термоспай вызывает выделение или поглощение мощности, дополнительной к мощности Джоуля, т.е. его нагревание или охлаждение. Количественно эффект Пельтье характеризуется линейной зависимостью мощности от тока

, (2.22)

где - коэффициент Пельтье, зависящий от удельной термоЭДС и температуры спая.

Подробнее с термоэлектрическими эффектами можно познакомиться в [2.4].

В соответствии с уравнением теплового баланса (2.16) в установившемся режиме избыточная температура площадки с коэффициентом поглощения , на которую падает немодулированный поток излучения , должна определяться формулой

, (2.23)

где - суммарная тепловая проводимость (или тепловые потери) приемной площадки, обусловленная ее излучением и теплопроводностью газа .

Если приемник многоспайный, и его термобатарея содержит идентичных последовательно включенных спаев с удельной термоЭДС , то в соответствии с (2.21) на его зажимах будет генерироваться термоЭДС, пропорциональная малой избыточной температуре , т.е.

, (2.24)

в которой тепловые проводимости и задаются формулами (2.20), (2.18).

По определению вольт-ваттная чувствительность приемника в режиме холостого хода должна быть равна

. (2.25)

Выражения (2.24) и (2.25) показывают, что при малых избыточных температурах приемник является линейным преобразователем энергии (или мощности) оптического излучения в температурный или электрический сигнал и, как видно, из формулы (2.25), может характеризоваться постоянной чувствительностью , не зависящей от падающего потока излучения в широкой области его изменения. Зависимость чувствительности термоэлектрического приемника от потока излучения может наступить лишь при достаточно больших избыточных температурах вследствие температурного изменения потерь [2.2].

Если внешнюю цепь односпайного термоэлемента, имеющего электрическое сопротивление r и генерирующего термоЭДС , замкнуть на сопротивление нагрузки , то без учета эффекта Пельтье ток в цепи должен быть равен . В действительности при протекании тока через термоэлемент от горячего спая к холодному будет отводиться мощность Пельтье (см. 2.22), вследствие чего избыточная температура спая должна уменьшиться на «температуру Пельтье» . Избыточная температура должна вызывать на зажимах приемника термоЭДС Пельтье . Поскольку в цепи приемника уже действует ЭДС Зеебека , то теперь цепь приемника должна находиться под действием суммарной ЭДС , которая по закону Кирхгофа должна быть равна сумме падений напряжений в цепи, т.е. . Используем выражение для ЭДС и запишем ток в цепи приемника в виде . Третье слагаемое в знаменателе последнего выражения имеет размерность электрического сопротивления и называется в теории тепловых приемников излучения динамическим сопротивлением

. (2.25')

Появление в электрической цепи приемника дополнительного сопротивления протеканию термоэлектрического тока вызвано процессом в тепловой цепи - отводом мощности от горячего спая к холодному вследствие эффекта Пельтье, т.е. увеличением тепловых потерь приемника. Такой характер влияния тепловой цепи на электрическую цепь приемника можно рассматривать как отрицательную обратную связь, которая, как известно, должна уменьшать и чувствительность, и инерционность приемника. В теории тепловых приемников это явление нередко называют электротермическим взаимодействием. К проявлению роли этого явления мы вернемся при рассмотрении шумов приемника.

Продолжим обсуждение параметров термоэлектрического приемника.

Тепловую постоянную времени приемника, работающего на немодулированном потоке излучения, можно рассчитать по формуле вида (2.14) , подставив в нее и - суммарные теплоемкость и тепловую проводимость приемника. Детально расчет суммарной теплоемкости многоспайного газонаполненного термоэлектрического приемника рассмотрен в [2.2].

В отличие от работы приемника на немодулированном потоке, когда для достижения установившегося значения сигнала приемнику отводится значительное время - не менее (3…4) , при действии на приемник периодически изменяющегося потока излучения с частотой это время не превосходит 0,5 периода модуляции. Так, например, при Гц это время - менее 50 мс и во избежание больших потерь мощности сигнала требуется применять приемник с постоянной времени мс.

Если на приемник падает гармонически модулированный поток излучения , то можно показать, что при линейном преобразовании потока в избыточную температуру и затем в электрический сигнал вольт-ваттная чувствительность теплового приемника (в данном случае односпайного термоэлемента в режиме холостого хода) должна определяться выражением вида

(2.26)

Выражение (2.26) позволяет различить режимы работы приемника (характерные для всех электрических приемников, кроме пироэлектрических) в областях низких и высоких частот (НЧ и ВЧ соответственно).

В области НЧ для данного приемника при или чувствительность приемника к модулированному потоку не зависит от частоты и теплоемкости и равна , которая при прочих равных условиях не отличается от чувствительности к немодулированному излучению (см. (2.25)).

В области ВЧ для данного приемника при условиях или чувствительность к модулированному потоку не зависит от тепловых потерь приемника и определяется выражением , т. е. изменяется по гиперболическому закону от частоты и теплоемкости.

Работа тепловых приемников в импульсном режиме здесь не рассматривается за неимением места. Детальный анализ импульсного режима работы теплового приемника содержится в [2.2].

Рассмотрим коротко причины, ограничивающие пороговый поток термоэлектрического приемника. В состоянии термодинамического равновесия (ТДР) основными видами собственных шумов в термоэлектрическом приемнике (как и в большинстве других тепловых приемниках) являются тепловой и температурный шумы².

Тепловой (джонсоновский) шум является следствием случайного распределения тепловых скоростей хаотического движении свободных носителей заряда в активном электрическом сопротивлении приемника, находящегося при температуре в состоянии ТДР с окружающей средой.

Упрощая, рассмотрим односпайный вакуумированный идеализированный приемник³ с вольт-ваттной чувствительностью , и получим средний квадрат мощности теплового шума, пересчитанный с выхода на вход приемника

, (2.27)

где – средний квадрат напряжения теплового (джонсоновского) шума [2.2] .

Температурный шум обусловлен флюктуациями температуры приемника вследствие статистического характера его теплообмена (любого вида) в состоянии ТДР с окружающей средой. Средний квадрат мощности температурного шума на входе приемника, имеющего температуру , суммарную тепловую проводимость и полосу пропускания , определяется выражением

. (2.28)

Поскольку тепловой и температурный шумы являются независимыми случайными процессами, то средний квадрат мощности их результирующего шума должен определяться суммой

. (2.29)

Заметим, что в выражении (2.29) множитель перед скобками является средним квадратом радиационного (фотонного) шума , который показывает, что любой приемник площадью см² при температуре К, связанный с окружающей средой только излучением, должен иметь в полосе Гц среднеквадратичное значение порогового потока Вт·см^­1Гц^­1/2). Понятно, что множитель в скобках (2.29) является квадратом «коэффициента шума» N² > 1; в [2.2] рассмотрена его зависимость от термоэлектрической добротности термоспая, определяемой удельной термоЭДС спая, тепловыми и электрическими свойствами материалов.

В заключение сравним роль теплового и температурного шумов в работе термоэлектрического приемника. Пользуясь (2.25') и (2.29), представим коэффициент шума N приемника выражением

, (2.29')

Анализируя выражение (2.29'), отметим следующие обстоятельства: оценка показывает, что в подавляющем большинстве термоэлементов (как металлических, так и полупроводниковых) отношение и потому результирующий пороговый поток термоэлектрического приемника (2.29) многократно (в тысячи раз) должен превосходить температурный (фотонный) шум и, таким образом, пороговый поток практически определяется тепловым шумом электрического сопротивления приемника. Однако такое положение может быть существенно улучшено посредством рационального конструирования приемника [2.2], основу которого составляет расчет важнеших размеров и параметров приемника с обязательным учетом свойств измерительного прибора. В [2.2] показано, что при использовании для термоспаев полупроводниковых материалов с очень высокой термоэлектрической добротностью может быть получено достаточно малое значение .

2.3.5. Болометрические приемники излучения

Болометр – это тепловой приемник излучения, действие которого в общем случае основано на температурном изменении комплексного электрического сопротивления его чувствительного элемента.

По материалу чувствительного элемента (ЧЭ) обычно различают металлические, полупроводниковые и диэлектрические болометры.

По состоянию, в котором находится материал ЧЭ, можно различить: неохлаждаемые, глубокоохлаждаемые (криогенные) и сверхпроводящие болометры (в пособии из-за неимения места не рассматриваются).

Для включения болометров используются электрические схемы: с нагрузкой (иначе – с делителем напряжения), мостовая и компенсационная. Сравнение этих схем дается в [2.6]; там же описано конструктивное исполнение ряда промышленных образцов болометров.

Важнейшим параметром материала для болометров является температурный коэффициент удельного сопротивления (ТКС), т.е.

. (2.30)

Физические причины, определяющие ТКС металлов и полупроводников в широкой области изменения температуры, концентрации легирующих примесей и результаты количественных оценок ТКС указанных материалов подробно рассмотрены в [2.2]. Ориентировочные значения ТКС типичных материалов для болометров представлены в табл. 2.1.

Таблица 2.1

Параметр	Металлы			Полупроводники				СП	ВТСП
	Pt	Fe	Ni	i-Ge	i-Si	Ge:Ga	Ge:Ga	Ge:Ga	NbN; Sn	YBaCuO
	300			300		300	90	0,3	14,4; 4,2	85..86
	0,004	0,0065	0,0068	0,043	0,07	+0,007*	+0,02*	−25*	50; 300	1,5

* Расчетные результаты для частично компенсированного p-Ge:Ga, при

N_a =10¹⁶ cм^-3, N_д = 10¹⁵ cм^-3 [2.2].

Приведенные в табл. 2.1 значения ТКС чистых металлов, собственных и легированных полупроводников, классических сверхпроводников (СП) и высокотемпературных сверхпроводников (ВТСП) при соответствующих температурах позволяют студентам составить реальное представление о порядке значений ТКС.

Пусть болометр с сопротивлением и тепловой проводимостью , включенный в схему последовательно с нагрузочным сопротивлением и источником с постоянной ЭДС , подвергается действию немодулированного потока излучения . В упрощенном представлении вольт-ваттную чувствительность болометра можно выразить произведением трех сомножителей:

, (2.31)

которые характеризуют эффективность протекания трех основных последовательно происходящих в болометре процессов:

1) изменения избыточной температуры при изменении падающего потока излучения,

2) изменения сопротивления болометра при изменении температуры,

3) изменения падения напряжения на нагрузочном сопротивлении при изменении сопротивления болометра.

Получив формулы для трех сомножителей в (2.31), запишем упрощенное выражение чувствительности болометра в виде

, (2.32)

где – схемный фактор, зависящий от параметров схемы включения приемника.

Выражение (2.32) можно использовать для предварительного анализа влияния основных оптических, электрических, терморезистивных и тепловых величин на вольт-ваттную чувствительность болометра.

Пользуясь (2.32) и анализируя работу болометра под действием модулированного излучения с учетом известного эффекта электротермического взаимодействия его тепловой и электрической цепей [2.2], представим вольт-ваттную чувствительность приемника выражением

, (2.33)

где – эффективная (разностная) тепловая проводимость болометра [2.2], учитывающая изменение тепловой проводимости болометра под влиянием мощности Джоуля, выделяемой электрическим током в ЧЭ приемника. Уточненный анализ для болометра, работающего в низкочастотной области ( ), показывает, что чувствительность приемника можно определять формулой [2.2]

, (2.34)

из которой видно, что чувствительность болометра , т.е. зависит от тепловой проводимости слабее, чем, например, чувствительность термоэлемента (см. (2.26)).

Как и в термоэлектрических приемниках, в болометрах фундаментальными причинами, определяющими пороговый поток излучения, являются тепловые и температурные флюктуации. Средние квадраты мощности этих шумов в болометрах при известных рабочей температуре приемника, его сопротивления и эффективной тепловой проводимости можно рассчитать по формулам (2.27) и (2.28). При этом однако следует иметь в виду, что формулы (2.27) и (2.28) справедливы в условиях теплового равновесия приемника с окружающей средой, а рабочая температура даже неохлаждаемого болометра из-за выделения мощности Джоуля обычно этому условию не соответствует.

Дополнительно к фундаментальным шумам в тонкопленочных болометрах из любых материалов (металлов, полупроводников и др.) на низких частотах ( кГц) может проявляться так называемый токовый шум, средний квадрат спектральной плотности мощности которого при протекании постоянного тока пропорционален . Сложность расчета токовых и других НЧ шумов в большинстве случаев приводит к необходимости их оценки экспериментальным путем; при этом шумовую мощность, превосходящую суммарный расчетный уровень фундаментальных шумов, часто относят на счет избыточных шумов, главной частью которых и может быть токовый шум.

Здесь ограничимся расчетной оценкой только фундаментальных шумов болометра. Выражение для среднего квадрата порогового потока болометра получим, воспользовавшись формулами (2.27), (2.28) и (2.31) для того, чтобы после необходимых преобразований⁴ записать средний квадрат пороговой мощности в виде

, (2.35)

который является общим выражением для болометров с различными температурными коэффициентами и позволяет анализировать зависимость пороговой мощности как от коэффициента , так и от рабочей температуры болометра. В [2.2] показано, что при комнатной температуре ( К) любой болометр, связанный с окружающей средой только излучением, имеющий площадь 1 см² и шумовую полосу 1 Гц, должен иметь Вт см^–1 Гц^–1/2 и соответственно пороговую чувствительность Вт^–1 см Гц^1/2. Там же в [2.2] подробно рассмотрены терморезистивные свойства металлов и полупроводников в широкой области изменения температуры и представлены основные аналитические зависимости, позволяющие рассчиты-

вать параметры и анализировать неохлаждаемых работу металлических и полупроводниковых болометров.