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 [27, 41, 43, 54, 55, 57].

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:

R = R ₀[1 + a_т(T – T ₀)],

где R ₀ — сопротивление проводника при температуре T ₀; a_т — температурный коэффициент сопротивления.

Изменение сопротивления:

D R = R ₀a_тD T, (5.5)

откуда относительное изменение сопротивления:

D R / R ₀ = a_тD T.

Температурный коэффициент сопротивления (ТКС) для металлов обратно пропорционален температуре в широком диапазоне температур: a_т = 1/ T.

Для комнатной температуры (300 К) a_т = 1/300 = 0,0033 град^–1.

Сопротивление полупроводников R в некотором ограниченном диапазоне температур изменяется по экспоненциальному закону:

(5.6)

(5.7)

где B = 3000 К; R ₀ — сопротивление полупроводника при T ₀; D R — изменение сопротивления полупроводника при изменении его температуры на D T.

Поделив уравнение (5.7) на (5.6), получим

(5.8)

так как R отличается от R ₀ на малую величину.

Для большинства полупроводников a_тп = –3000/ T ².

Таким образом, у полупроводников ТКС отрицателен, а его абсолютное значение больше, чем у металлов. При комнатной температуре (300 К) ТКС полупроводника a_тп = –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 схемам включения ФР (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 _н при облучении болометра по схеме его включения, аналогичной ФР (рис. 2.5). Ток в цепи болометра

I = U_п/(R + R _н), (5.9)

где U_п — напряжение питания.

При облучении болометра потоком излучения DF изменится его сопротивление и, следовательно, ток в цепи. Продифференцировав выражение (5.9), получим приращение тока:

D I = –U_пD R /(R + R _н)².

Преобразуем, учитывая, что D R / R = a_тD T из выражения (5.8):

По аналогии с предыдущим можно найти значение сопротивления нагрузки при работе болометра с усилителем для максимальной интегральной вольтовой чувствительности, которая возможна при R _н = R.

При работе болометра с гальванометрической системой регистрации R _н выбирают исходя из максимальной рассеиваемой на R _н электрической мощности D P:

Продифференцируем полученное выражение:

откуда сопротивление нагрузки при D P _max: R + R _н – 4 R _н = 0, R _н = R /3.

При мостовой схеме включения мост предварительно балансируют: R ₁ R _б1 = R ₂ R _б2. Облучение вызывает разбалансировку моста и появление сигнала на сопротивлении R _н. Одновременное изменение R _б1 и R _б2 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:

S_U = U _н/F = a_тD T U_п/(4F).

Из уравнения состояния чувствительного слоя болометра:

Cd (D T)/ dt + s_тD T = F,

где C — теплоемкость чувствительного слоя, Дж/град; s_т — полная термическая проводимость, Вт/град.

В установившемся режиме при d (D T)/ dt = 0 получим

D T = F/s_т.

Окончательно получаем вольтовую интегральную чувствительность:

Коэффициент s_т включает в себя температурное излучение чувствительного слоя и составляющую теплопроводности подводящих проводов. Уменьшение s_т осуществляют при помощи вакуумирования (уменьшаются потери 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 S_{U 0} — интегральная чувствительность болометра при отсутствии модуляции потока излучения; t = C /s_т — 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.

На рис. 5.3 б показано устройство болометра для абсолютных измерений оптического излучения, а на рис. 5.3 в — его приемного элемента. Поток излучения, падающий на чувствительный элемент болометра [51], поглощается не полностью, часть его отражается. Потери на отражение можно снизить, помещая чувствительный элемент в центр зеркальной полусферы. Поэтому центр чувствительного элемента 3 болометра должен быть совмещен с центром полусферы 2 (рис. 5.3 б). Для того чтобы зеркальная составляющая отраженного излучения не попала на входное отверстие 1 в полусфере, чувствительный элемент должен составить с направлением падающего на него излучения угол 90° ± q. Применение зеркальной полусферы уменьшает потери излучения (они связаны с поглощением в отражающем покрытии и с уходом части излучения через отверстие в полусфере). Из-за уменьшения тепловых потерь, связанных с тепловым излучением самого элемента, так как полусфера возвращает обратно большую часть собственного излучения элемента, чувствительность болометра увеличивается.

Чувствительный элемент (рис. 5.3 в) состоит из слоя 1 (сплав висмута со свинцом), напыленного на нитролаковую подложку 5, он покрыт сурьмяной или золотой чернью 4. Перед чувствительным элементом устанавливают черненую диафрагму 3, защищающую электроды 2 от попадания на них излучения, а позади него — черненую заслонку 6 для поглощения излучения, прошедшего мимо чувствительного элемента. Рассмотренный болометр работает в области спектра от 0,3 до 20 мкм. Коэффициент поглощения чувствительного элемента составляет 0,996–0,998, интегральная чувствительность такого устройства — 0,3 В/Вт. Болометрам присущи тепловой, токовый и радиационный шумы, рассмотренные выше. У металлических болометров преобладает тепловой шум, у полупроводниковых — токовый.