Пироэлектрические приемники

В последние годы начали применять новый тепловой неселективный приемник ИК-излучения — пироэлектрический (ППИ), приемным элементом в котором служат пироэлектрические кристаллы титаната бария BaTiO₃ с примесями, триглицинсульфата (NH₂CH₂COOH)₃H₂SO₄, ниобата лития LiNbO₃ и т. д. Особенностью пироэлектрических кристаллов является их спонтанная (самопроизвольная) поляризация при отсутствии внешних электрических полей. При постоянной температуре эта поляризация не может быть обнаружена по наличию поверхностных зарядов, так как последние компенсируются объемной и поверхностной проводимостью кристалла. Однако величина спонтанной поляризации пирокристаллов зависит от температуры и при ее изменении на гранях кристалла, перпендикулярных к полярной оси, могут быть обнаружены заряды. В этом и состоит пироэлектрический эффект.

К пироэлектрическим кристаллам принадлежат и сегнетоэлектрики (сегнетова соль и т. д.), но они характеризуются обратимой спонтанной поляризацией. При наличии поля, большего определенного (коэрцитивного) значения, направление поляризации сегнетоэлектрика можно изменить на противоположное [46, 68]. У линейных же пироэлектриков никакие поля, вплоть до пробивных, не могут переполяризовать кристалл.

большего определенного значения?

Для пироэлектрических кристаллов характерно наличие одного или нескольких фазовых переходов. Фазовый переход характеризуется обычно поглощением и выделением теплоты и изменением удельного объема, причем одно состояние сменяется другим. У титаната бария, например, несколько фазовых переходов, но лишь один из них (при температуре Кюри) пироэлектрический. Выше 393 К кристалл титаната бария принадлежит к центросимметричному классу кубической системы.

При охлаждении кристалла BaTiO₃ ниже точки Кюри его кубическая кристаллическая решетка переходит в тетрагональную и он спонтанно поляризуется. Вектор спонтанной поляризации P _с направлен вдоль полярной оси. Наиболеее правильно рассматривать пироэлектрический приемник как систему с распределенными параметрами. В зависимости от направления вектора поляризации P _с при облучении приемника потоком излучения различают пироэлектрические приемники продольного и поперечного типов.

Чувствительность приемников продольного типа выше, чем поперечного. Однако, так как у приемников продольного типа емкость (определяется площадью электродов) больше, чем у приемников поперечного типа, постоянная времени приемников поперечного типа меньше:

t_пр = 10^–5 … 10^–6 с, t_поп = 10^–7 … 10^–8 с.

Кроме того, приемники поперечного типа можно изготавливать без черни на собственном поглощении, что также снижает их инерционность. При использовании золотой черни с теплоемкостью c ₀ = 2,5×10^–5 Дж/(град×г) расчетная t_ср = 10^–7 с.

В заключение следует отметить, что пироэлектрический ток приемника I — сложная функция физических характеристик кристалла, его геометрических размеров и условий теплообмена со средой. Значение I зависит от двух основных факторов — среднего прироста температуры приемного элемента и скорости изменения прироста температуры. Средний прирост температуры пироэлектрического приемника, как и теплового, обратно пропорционален частоте модуляции, но скорость его изменения прямо пропорциональна частоте модуляции.

Действие этих двух факторов уравновешивается в достаточно широком диапазоне частот. Этим объясняется малая инерционность пироэлектрического приемника по сравнению с тепловыми.

Равномерность частотной характеристики пироэлектрического приемника нарушается при очень низких частотах, когда тепловые волны, пройдя приемный элемент, достигают подложки, и при слишком больших частотах, когда они не достигают пироактивного кристалла.

Если поглощение излучения происходит на абсорбционных полосах кристалла (собственное поглощение пироактивного кристалла), то инерционность приемника определяется инерционностью пироэлектрического эффекта, т. е. временем установления спонтанной поляризации под воздействием тепловых волн на кристалл. Следует отметить, что пироприемник не требует источников питания и работает аналогично термопаре. На рис. 5.5 показаны конструкции ППИ типов БП-22 и МГ-30.

автоРис. 4 Рис. 5.5

Конструкции ППИ БП-22 (а) и МГ-30 (б)