Тип приемника

Продолжение табл. XIV.1

MaKct.fi--r X Вт-

Постоянная време ни, мкс

FT\2

FT13

FT\5

FT\7

FT19

FT20

FT22

FT23 Дифференциальные вакуумные типа

РТН* РТН-2У РТН-10 РТН-11 РТН-12 РТН-20 РТН-30

Шварц LTD

СССР

8.10-10-5 4-10-3** 5. Ю-W-1.35-10-3*. 3,5-10-И-2,7-10-3** 2,5-10-10-5,4-10-3** 8-10-10-5.4-10-3** 5-10-io 2j.io-3**

4.10* 10 10 10 105 10? 10* 10* 10* 10?

(0,2-1)10 0,2-10 0,15-10 0.15-10 0.2-10 0,15-10

Спектральный диапазон приемника с сапфировым окном 0,18-5,5 мкм, ется индексом Г (РТН-10Г). Максимальная допустимая энергетическая осве термопар: PTH-10-I, РТН-2У и рТН-20-4, РТН-11 и РТН-30-6, РТН-12-25. Диапазон измеряемых мощностей, Вт. Приемники ГГ-i=T4 - воздушные, остальные типа FT - вакуумные.

hi И - толщины площадки и черни, Og - постоянная Стефана- Больцмана, Вд и еЦ - коэффициенты поглощения площадки и черни, к и 2 - коэффициенты теплопроводности материалов ветвей термопары, и - площади их сечений, li и 1 - длины ветвей термопар. При учете теплоемкости термопары постоянная времени

.. s(ciPihi + срМ + /а (Sihpc + skpc )

(XIV. 14)

где р vt р - плотности материалов термопары, с и с - их удельные теплоемкости.

Обнаружительная способность на низких частотах для рассматриваемой модели приемника

D* =---?oVj- (XIV. 15)

2Г Vk, [к -f Ко + I- (> -Ь >c )VariV2

маркируется индексом С (PTH-I0C); с германиевым: 1,8-15 мкм, маркиру-щенность 300 Ът/ы; нестабильность чувствительности за год - 5%. Количество

Здесь Xj, И Ко - составляющие теплопереноса от приемной площадки, обусловленные излучением и переносом тепла ветвями термопары. Оптимизация конструкции для достижения максимальной обнаружительной способности при выбранных размерах приемной площадки и материалах термопары сводится к определению ее геометрических размеров. Оптимизация (XIV. 15) приводит к выражению

(1 + ZoT)

(XIV. 16)

где Zo - термоэлектрическая добротность термоэлемента мизация достигается, если удовлетворить соотношениям

Оптн-

y.Zi

(1 +Zor)Va.

к (\+ZoTf

(XIV.17)

На высоких частотах модуляции, когда становится существенной теплоемкость приемной площадки, оптимизированная обнаружительная способность

£)* 0

2Г/АоШСу (1+2/2оГ)2

условия оптимизации

(XIV.18)

(XIV. 19)

(Суд - теплоемкость приемной площадки, отнесенная к единице площади).

2. Конструкции одноэлементных термопарных приемников изпучения

Приемники с внсмутовымн проволочными термоэлементами. Термоэлектрические приемники Хорнига и ОКифа [102]. Для отрицательной ветви использован сплав 97% Bi + 3% Sb, для положительной - 95%+ 5% Sn, термоЭДС пары - до 120 мкВ/К. Длина термоэлементов 0,3 мм, диаметры (1,6 ч- 2,6) Ю мм, приемная площадка из золота толщиной 0,1 мкм. Теплоемкость ветвей (0,16,3) Ю-Дж/К, общая теплоемкость (4,8-г-36,3) 10-Дж/К.

В приемнике Кера и Джорджа[\02, 128J из Bi и Bi-Sb (длина ветвей 0,2 мм, приемная площадка из золотой фольги площадью 2 X 0,3 мм й толщиной 0,2 мкм) на площадку нанесена золотая чернь, теплоемкость которой равна теплоемкости фольги. Минимально обнаруживаемая мощность 2 10 1° Вт для полосы 1 Гц при частоте модуляции 10 Гц.

В приемнике Верлиха [142, 157] применена пара из висмута и легированной сурьмы. Оба спая присоединены к приемным площадкам. ,

Рис. XIV.7. Схема приемника излучения с по-, лупроводниковыми ветвями:

1,4- ветви п- и р-типа; 2 - окно нз КВг; 3 приемная площадка; 5 - корпус [118].

Использовались как вакуумные, так и воздушные варианты. Сведения о приемниках приведены в>абл. XIV. 1. I Приемники с полупроводниковыми элементами. Максимальная чувствительность достигнута [118] в конструкциях вакуумных приемников с ветвями из полупроводниковых материалов Bi, g Sbp Te2jSep 3+ 0,08 ат. % CuBr п-типа и BijSbogTes р-типа. Каждая ветвь имеет вид конуса, установленного на теплоотводящем блоке (рис. XIV. 7). Приемная площадка - золотая пластина 2 X 0,2 мм , толщиной 5 мкм - приварена к конусам током разряда конден-

сатора (2 мкФ, 20 В). После сварки приемная площадка чернится напылением золота в атмосфере азота. Сведения о приемниках приведены в табл. XIV. 2. Несмотря на высокую чувствительность, конструкция приемников не удовлетворяет оптимальным условиям - перенос тепла по ветвям термопары больше переноса тепла излучением. Его снижение простым уменьшением площади контакта приемной площадки с острием для площади меньше 10- см является неэффективным из-за возрастания контактных шумов.

Таблица XIV.2 Параметры вакуумных приемников с полупроводниковой

Приемники с полупроводниковыми ветвями на основе BiTes [31] для ИК спектрометров. Конструкция прибора пР ведена на рис XIV 8 В нем применены клиновидные п- и р-ветви и приемная] штощадка из золота (0,2 X 2 мм). Приварка площадки производи- разрядом конденсатора. Применена золотая чернь (толщина

Рис. XIV.8. Конструкция приемника инфракрасного излучения с термопарой на основе BiaTeg:

/ -окно из КВг; г - металлический корпус; 5 - стеклянный корпус; 4-геттеры; 5 - электрические выводы; 6 - место отпайки; 7 - корпус термоэлемента; S, 9 - р- и п-ветви; 10 - приемная площадка [31].

около 2 мкм). Исследована зависимость чувствительности от толщины приемной площадки и расстояния между вершинами клиньев. Установлено, что оптимальная толщина золотой фольги 0,4 мкм, расстояние между клиньями 1 мм. Параметры приемников: сопро-

тивление 10-20 Ом .(при больших сопротивлениях чувствительность падает, возрастает шум), чувствительность не менее 8 В/Вт, постоянная времени 10-30 мс, пороговая чувствительность 7,Б X X Ю-юВт.

В термоприемнике фирмы Perkin-Elmen [112, 142] плоская приемная площадка изготовлена из золота и припаяна к полупроводниковым ветвям термопары. Для увеличения теплового сопротивления ветвям придают вид усеченных цилиндров (рис. XIV. 9). Приемная площадка с термопарой помещена в откачанный баллои с окном из КВг, обладающим высокой прозрачностью - до 25 мкм. Размеры площадки 2 X 0,2 мм, сопротивление приемника 10 Ом, чувствительность при модуляции 13 Гц составляет 2 В/Вт, обнаружительная способность 3 10*см Ги}/ Вт~, постоянная времени 20-30 мс.

Рис. XIV.9. Схема термоприемника фирмы Perkin - Е1тег :

/ приемная площадка; 2 - полупроводниковые ветвн термопар; 3 электрические выводы [142].

Рис. XIV.10. Неселективный приемник с конической приемной площадкой [135].

Кремниевый термоприемник описан в работе [12]. В приемнике длина ветвей термоэлемента 10 мм, поперечное сечение 1,0 X 0,5 мм. Приемная площадка изготовлена из меди (диаметр 8 мм, толщина 10 мкм). Чувствительность приемника 0,039 В/Вт, nocTOHHHaj времени 2,8 с, сопротивление 2,6 Ом. 3

Полостные приемники. Для увеличения степени черноты, особенно в длинноволновой части спектра, разработан приемник с конической приемной площадкой [135, 136] (угол при вершине конуса 15°, длина 7,6 мм). Внутри конус чернен коллоидным графитом или специальным красителем. Термопарга изготовлена из висмута и сплава висмута с оловом (5%). Постоянная времени 0,17 с. При частоте модуляции / = 1 Гц чувствительность равна 5 ЮВ/Вт. Коэффициент поглощения в интервале 1 - 45 мкм - от 0,995 до 1,000. Конструкция приемника изображена на рис. XIV. 10.

Полостные приемники со штыревыми термоэлементами описаны в работе [87]. Приемные полости изготовлены из золотой фольги толщиной 0,2 мкм, термопара - из полупроводников, Z = = (2 -г- 3) 10~К~1. Применены полости двух типов- конические и клиновидные (рис. XIV. 11). Угол при вершине конуса 15*,

при вершине клина 10°. Площадь основания конуса 3 10 *см, клина 2,5 10~см*. Поглощающее покрытие - золотая чернь. Коэффициент поглощения полости не меньше 0,994. Чувствительность на воздухе 0,2 В/Вт, постоянная времени т = 0,06 с; в вакууме Sy= 2 -Ь 3 В/Вт, т =i 7 с. Сопротивление приемников Б-10 Ом. По параметрам приемники превосходят аналогичные зарубежные [135, 136, 192].

Приемники со сферическими медными коллекторами описаны в работе [30]. Масса коллекторов 0,6 и 8,7 г, толщина стенок 0,05 и 0,5 мм соответственно, использованы медь-константановые термопары.

Рис. XIV.11. Неселективные полостные приемники с конической (/) и клиновидной (2) полостями [87].

Рис. XIV. 12. Приемник излучения с зеркальной полусферой (/) и штыревым термоэлементом (2) [88].

В работе [192) описаны модели приемников с коническими приемными площадками из золота, в работе [159] -с приемными полостями из графита.

Приемник с отражающей полусферой применяется для увеличения коэффициента поглощения фокусировкой на приемную площадку отраженного от нее излучения. В работе [88] описан такой приемник с плоской приемной площадкой и штыревыми термоэлементами (рис. XIV. 12). Материал термоэлементов - полупроводник, Z =3 (2 3) 10~зк-1, приемная площадка - золотая фольга, покрытая золотой чернью (ее площадь 18 мм*), сфера покрыта алюминием с коэффициентом отражения 0,98 в спектраль-, ном диапазоне 4-20 мкм. Степень черноты устройства не меньше 97%. Чувствительность 0,3 В/Вт, сопротивление термопары 11 Ом.

Ранние исследования по сферическим и цилиндрическим отражающим полостям описаны в работах [138, 156, 198].

Пленочные приемники- Основные элементы приемника - площадка н контакты - представляют собой тонкие пленки металлов (для термопар иногда использованы полупроводники), нанесенные испарением в вакууме на подложку из диэлектрика (нитроцеллюлозы, формвара, майлара, окиси алюминия). Подложка укрепляется на каркасе из стекла, слюды или сапфира, иногда металла. В каркасе вырезано отверстие под приемной площадкой н спаями