к теплоотводящим усиками. Система помешена в корпус с полусферическими окнами - фильтрами. Таким путем компенсируется коротковолновое излучение и измеряется разность потоков длинноволнового излучения.

Пиргеометры для измерений излучения от поверхности Земли. Как и приборы предыдущих типов, они подразделяются на абсолютные (типа Онгстрема или с компенсацией теплового потока) и относительные, представляющие собой батареи термопар, спаи которых прикреплены к черненым и отражающим приемным площадкам. При использовании ленточных термобатарей (см. рис. XIV. 42) чернится половина ветви каждой термопары. Сведения о приборах даны в табл. XIV. 9.

§ 4. Приемники

с анизотропными термоэлементами

Известно, что инерционность приемника излучения с термопарным элементом, если достигнута минимальная теплоемкость, можно снизить путем уменьшения теплового сопротивления термопары, что приводит одновременно и к снижению чувствительности. При использовании термоэлементов, генерирующих поперечные термоЭДС, чувствительность не зависит от геометрического размера термоэле-

Рис. XIV.51. Схема приемника излучения с анизотропным термоэлементом:

/ - облучаемая поверхность: 2 - теплоотводящая поверхность.

Рис. XIV.52. Схема приемника излучения с вихревым термоэлементом:

/ - монокрнсталлнческая спираль пирамидальной формы; 2 - полость; S -термостат.

мента вдоль теплового потока, что в принципе снимает ограничения в возможностях создания быстродействующих приемников излучения без потери чувствительности. Эту особенность используют при разработке приемников излучения с анизотропными, вихревыми и другими типами термоэлементов, генерирующих поперечные термоЭДС.

Схема приемника с анизотропным термоэлементом приведена на рис. XIV. 51. Для модели приемника с площадью приемной площадки совпадающей с площадью поперечного сечения термо-

элемента, выражения для чувствительности и постоянной времени имеют вид

о( - х)

--Ш>-

4 /I? (XIV.21)

где Оо - температуропроводность материала вдоль направления теплового потока, х - теплопроводность материала.

Выражения (XIV. 21) 410лучены для стационарных тепловых потоков в предположении, что теплоотвод от боковых граней пренебрежимо мал, а поперечный эффект Пельтье незначителен. Облучение модулированным тепловым потоком приемной площадки анизотропного термоэлемента или спиральной вихревой термобатареи (рис. XIV. 52) может привести к образованию разных по значению градиентов температуры в различных областях кристалла и, следовательно, к возникновению замкнутых вихревых токов [4]. Условие минимума вихревого тока получено в двух тепловых режимах работы приемника. В первом режиме теплопроводность и теплоемкость теплоотвода значительно больше, чем у анизотропного кристалла, а высота последнего выбирается так, чтобы при круговой частоте модуляции о падающего потока излучения тепловой режим термоэлемента был квазистационарным:

(XIV.22)

В этом случае обнаружительная способность D* и электрическое сопротивление приемника г определяются выражениями

8 (kav-bfim

(XIV.23)

(XIV.24)

где / - длина термоэлемента.

Во втором режиме толщина приемника выбирается близкой к коэффициенту теплоусвоения, характеризующему условную толщину равномерного прогрева полуограниченного термоприемника в условно-периодическом состоянии:

(XIV.25)

Выражение (XIV. 25) получено в предположении, что тепло- и температуропроводность теплоотвода и приемника примерно одинаковы. Параметры приемника в этом режиме:

со РрА

р 7 h

(XIV.26)

(XIV.27)

в табл. XIV. 11 приведены значения параметров приемников с анизотропным термоэлементом из материалов со значительной анизотропией термоЭДС (ширина кристалла Ь - 0,05 мм). Как видно, приемники с анизотропным термоэлементом при высоких частотах сигнала не уступают лучшим образцам болометров, сохраняя все преимущества термоэлектрических приемников.

Таблица X1V.11

Параметры приемников излучения из анизотропных термоэлементов в квазистационарном режиме

Приемник, где применение анизотропного термоэлемента эквивалентно замене батареи из нескольких сотен медь-константановых термопар, описан в работе [95]. Приемная площадка - 1,4 X X 1,4 см изготовлена из медной фольги толщиной 0,02 мм и покрыта камфорной чернью. В каждом приемном элементе содержится по три анизотропных термоэлемента из CdSb длиной 14 мм, высотой 1,2 мм, толщиной 0,3 мм. Сопротивление приемника 2-3 кОм, чувствительность прибора 0,15 В/Вт.

Использование для регистрации ИК излучения спиральных вихревых термоэлемелтов позволяет повысить неселективность, особенно в дальней ИК области спектра, и уменьшить дополнительные потери, возникающие на электроизолирующем теплопереходе между анизотропным кристаллом и приемной площадкой [4, 5]. В приемниках с вихревым термоэлементом (рис. XIV. 52) поверхность спирали непосредственно используется в качестве коллектора излучения. Выбором формы спиралей представляется возможность получить необходимую степень черноты. Для формы полости, образованной спиралью, расчеты степени черноты, проведенные но методу Спэрроу [103], дают е = 0,95. Приближенный расчет параметров приемников излучения с вихревыми термоэлементами может производиться по формулам для приемников с анизотропными термоэлементами. В этом случае каждый виток спирали рассматривается как четыре последовательно включенных термоэлемента. Распределение потока излучения по внутренней поверхности спирали рассчитывается отдельно.

§ 5. Приемники лазерного излучения

1. Общая характеристика приемников пазерного излучения

Большинство приемников лазерного излучения представляет собой калориметрические устройства с коллекторами лучистой энергии различной формы и термопарами или батареей термопар для измерения температуры коллектора.

Уравнение теплового баланса для калориметров [ЗЗ] при равномерном обогреве коллектора энергии имеет вид

(XIV.28)

Где с - теплоемкость нагрузки калориметра, а - коэффициент

?агГзки ггл°Р Г Р °4фициент погУощТння

сией Wm ~г, Р ° ь температур между нагрузкой и внешней = con l и Г(0)1Т мощность. Решение (XIV. 28) при W =

T{t)

BqW

а - - (XIV.29)

где т = -постоянная времени нагрузки калориметра. Для стационарного случая, когда / -> оо,

(XIV.30)

Если на калориметр действует импульс U7 прямоугольной формы продолжительностью т

Таблица XIV.12

Критические значения плотностей энергии при облучении медного коллектора [33]

10- 10-6

10-S 10-* 10-

2,9 9,2

92 290

7макс=(1-- (XIV.31)

При Тд < т нарастание температуры экспоненциальное. Приближенно для начальных периодов времени экспоненту можно аппроксимировать зависимостью

7макс = (XIV.32)

откуда определяется lf T - энергия излучения.

В приемниках лазерного излучения происходят многочисленные неконтролируемые потери энергии падающего излучения [108], поэтому погрешность измерений в большинстве случаев не менее 3-5%, иногда 1%. В приемниках лазерного излучения при больших плотностях энергии могут произойти перегревы коллектора и его разрушение. В табл. XIV. 12 приведены значения плотностей энергии, приводящие к разогреву поверхности меди до температуры кипения (2800° С). Нарастание температуры происходит до конца

Длительность импульса, с

Критическая плотность Энергии. Дж/см2

действия импульса, теплообмен поверхности металла с окружающей средой влияет на перегрев несущественно. Допустимый перегрев поверхности приемной площадки для различных материалов определяется по формуле [74]

Т= 1,12

Boas

(XIV.33)

Ломм

1000

. ,.....ГсрХ

5001000

Р смЗК

-tVi .

2 34

Рис. XIV.53. Номограмма для определения допустимой плотности энергии излучения и минимальной толщины площадки плоскостного приемника лазерного излучения по известной длительности импульса, допустимым температурам поверхности, объему приемной площадки и ее излучательной способности. Штриховкой приведен пример для /4 10-*с, Г = 600°С. Г.р=200°С, 80 = 0,2.

Ноиера здесь и далее указывают очередность построений [74].

где X - теплопроводность материала плоской приемной площадки, , с - теплоемкость, ро - плотность, / - длительность теплового i импульса, - поверхностная плотность энергии облучения приемной площадки. После выравнивания перепадов температуры в площадке ее ередняя температура приближенно определяется как

Boas

Г = , (XIV.34)

=Р~сроЛо

где fto - толщина площадки. 668

Значение Т обычно ограничивается свойствами материалов приемника (температурной стойкостью клеев, температурами припоев, применяемых для монтажа термобатарей, и др.). Из (XIV. 33), (XIV. 34) определяется толщина площадки при заданных , t

Рис. XIV. 54. Номограмма для определения наибольшей избыточной температуры приемной площадки плоскостного приемника лазерного излучения по известной излучательной способности, плотности энергии й толщине приемной площадки. Штриховкой приведен пример для Wg=lO Дж/см2, h = 0,l5 мм, е = 0,2 [74].

и материале площадки. Для удобства расчета построены номограммы (рис. XIV. 53-XIV. 55).

Экспериментальное определение температуры поверхности металла, подвергнутого лазерному излучению, производится с помощью двух брусков, образующих термопару. Область границы раздела брусков облучается, возникающая при этом термоЭДС используется для определения степени нагрева [121].

Обычные методы повышения коэффициента поглощения коллекторов (чернящими красками и лаками, металлической чернью) малопригодны в приемниках излучения большой плотности энергии.