Нейтральні приймачі випромінювання

Реакція нейтральних приймачів випромінювання заснована на нагріванні, яке виникає при поглинанні падаючого на нього випромінювання. Тому підвищення їх чутливості пов’язано з тенденцією підвищення нагріву приймача за рахунок поглинання найбільшої частини падаючого потоку. У зв’язку з цим всі нейтральні приймачі мають чорну поверхню, яка здатна поглинати видиме і невидиме випромінювання, яке на нього падає.

Крім того, на підвищення чутливості нейтрального приймача буде впливати характер теплоємності. Необхідно, щоб теплоємність приймача була за можливістю мала, а підвищення температури, пов’язане з поглинанням падаючої енергії, було б як можна більшим.

Ще одним суттєвим фактором є втрата теплоти, що неминуче виникає разом зі зростанням температури приймача по відношенню до температури навколишнього середовища. Ці втрати пов’язані з випромінюванням, теплопровідністю та конвекцією елементів приймача. Випромінювання чорної поверхні уникнути не можна. Для зменшення втрат, які пов’язані з теплопровідністю, зачорніла металева пластинка приймача кріпиться до корпусу за допомогою тонких “мостів” із теплоізоляційного матеріалу. Нарешті, щоб усунути втрати за рахунок конвекції, зачорнілу пластинку приймача розміщують у вакуумному посуді. Внаслідок цього чутливість приймача може зростати у сотні разів.

Випромінювання, яке виміряється, повинно проходити крізь стінку посудини або крізь встановлене в неї “вікно”. Для “вікна” використовують такі матеріали, як кварц, фтористий барій, кристали кам’яної солі.

За матеріал чорніння поверхні приймача використовують платинове, цинкове покриття, інколи кіпоть камфори чи скипидару, які забезпечують високий коефіцієнт поглинання. Так, наприклад, цинкова чернь у деяких інтервалах ІЧ випромінювання забезпечує коефіцієнт поглинання α = 0,96 ... 0,98.

До нейтральних приймачів належать різні болометри (повітряні, електричні), радіометри, металеві і напівпровідникові опори і термопари. Найбільш поширеними є термопари, термостовпчики і болометри. Розглянемо характеристики і властивості перелічених нейтральних приймачів.

Термопари (термоелементи) та термостовпчики. У термоелементах і термопарах використовується явище нагріву одного з двох спаїв, двох різнорідних металевих провідників, які складають замкнутий контур. У контурі з’являється термоЕРС і утворюється електричний струм, сила якого пропорційна різниці температур між нагрітим і холодним спаєм. Значення ЕРС залежить від роду металів, які складають контур термопари. Зазвичай нагрітий спай закріплюється на тильній стороні тонкої зачорненої пластинки, яка разом зі спаєм утворює чутливий термоелемент. Металевим дзеркалом пучок променів концентрується на зачорненій стороні приймача, і виникаючий в ланцюзі електричний струм можна заміряти за допомогою чутливого гальванометра, неминучі.

Для замірювання потужності вузького монохроматичного пучка, який виходить із щілини спектрального приладу, прийомній поверхні термоелемента надається форма вузького прямокутника (наприклад, розміри 1x10 мм).

Термопари, розташовані послідовно одна над одною, називаються термостовпчиком. ТермоЕРС окремих термопар у цьому випадку додаються. Тому чутливість термостовпчика вище, що підвищує точність вимірювання. Термопари і термостовпчики частіше застосовуються у вакуумному виконанні.

Довідникові відомості про термоЕРС деяких термопар при нагріванні їх на 1°С порівняно з температурою холодних кінців наведені в табл 3.1. Інколи відомості про термоЕРС деяких однакових спаїв, які наводяться різними авторами, не співпадають. Це, скоріше за все, можна пояснити різним ступенем чистоти речовин, різними розмірами кристалів.

Виготовлення дуже чутливих термопар зі складних і крихких сплавів зустрічає багато складностей. Тому частіше використовують термопари, які мають помірну чутливість, однак загальні чутливість виготовлених з них термостовпчиків, віднесена до одиниці площини приймача, практично не поступає чутливості термопар, які виготовлені зі складних сплавів. Тому широке застосування мають термостовпчики зі сплавів манганіна-константана, хромеля-копеля, заліза-константана.

У деяких випадках треба вимірювати енергетичну освітленість, яку створюють потужні джерела, наприклад, Сонце. У цьому випадку користуються

Таблиця 3.1.ТермоЕРС деяких термопар

Тип термопари	Значення термоЕРС мкВ/°С
Мідь-константан	39,5
Мідь-константан	42,8
Хромель-алюміній	40,0
Залізо-константан	52,5
Хромель-копель	71,3
Манганін-константан	43,0
Бісмут-срібло	80,2
Бісмут-телур	558,0

приймачами середньої чутливості відкритого типу (не вакуумні). Такі приймачі можуть мати немалі розміри, порядку 30 - 40 мм у діаметрі, і складати з десятків абосотень послідовно з’єднаних термоелементів, які збуджують у зовнішньому ланцюзі немалий термострум.

Болометри. Болометром називається прилад, який призначений для вимірювання потоку випромінювання, поглинання якого міняє електричний опір нейтрального приймача. Відомо, що опір більшості матеріалів залежить від температури. Незначне нагрівання, яке виникає під дією поглинаючого випромінювання, і пов’язана з ним зміна опору, може бути виявлена загальноприйнятими методами.

Болометри бувають металеві і напівпровідникові. Металеві болометри являють собою тонку полоску метала, який наноситься розпиленням у вакуумі на скляну, кварцову або целюлозну підложку.

Рис. 3.3. Електрична схема болометра

За метал найчастіше використовують платину. Щоб досягти невибіркового поглинання, зверху болометр покривається черню, як і термопара. Полоска має невеликі розміри: довжина 1 ... 10 мм, ширина 0,5 ... 2 мм, товщина шару приблизно 1 мк. Опір полоски знаходиться в межах від 10 до 100 Ом.

Напівпровідникові болометри виготовляють із різних окисних напівпровідників (частіше суміш оксидів мангану і нікелю, а також кобальту). Методом стискання і обпалювання одержують полоски на керамічній підложці, інколи без підложки. Далі робиться чорніння, частіше всього наносять шар золота. Напівпровідникові болометри мають опір порядку 1МОм.

Найбільш поширений метод вимірювання опору при поглинанні випромінювання болометром заснований на використанні моста Уітстона (рис. 3.3). В одну з гілок цього моста підключений приймач болометра з опором R_б. В іншу гілку підключений такий самий приймач з майже таким самим опором R_б, однак дії випромінювання він не піддатний. Це дозволяє компенсувати вплив загальної зміни температури навколишнього середовища на прилад. Відношення опорів R₁ і R₂, які входять в схему, підбирається так, щоб у відсутність опромінювання струм в ланцюзі гальванометра ВП дорівнював нулю. Струм і, який виникає в ланцюзі гальванометра під дією поглинаючого випромінювання, пропорційний потоку Р випромінювання, який падає на приймальну поверхню болометра, тобто і=k∙Р, де k-коефіцієнт пропорційності, який залежить від температурного коефіцієнта опору, k~dR_бdT.

Для збільшення чутливості болометра променевий потік, який вимірюється, переривається (модулюється) з частотою 5 ... 10 Гц. Це дозволяє подавати на вхід електронного підсилювача змінну напругу, яка виникає. Після підсилення струм вирівнюється і може вимірюватися стрілковими приладами або записуватися на самописці.

Останнім часом широко застосовується особливий вид болометрів, які відрізняються обладнанням і виготовленням - термістори. Це багатоомні опори з напівпровідників (суміш оксиду кобальта, нікелю, заліза, магнану, магнію, цинку та ін.). При кімнатній температурі їх опір порядку (2 ... 4)∙10⁶ Ом, що дозволяє застосовувати їх в електронних підсилювачах. При підвищенні температури на 1°С опір зменшується у десятки разів.

Термістори можуть виготовлятися дуже малого розміру, тому інерція показів у них менша, ніж у інших теплових приймачів. Термістори одержують широке застосування при спектральних вимірюваннях в ІЧ області.

Піроелектричні приймачі ІЧ- випромінювання

Читайте також:

<== попередня сторінка	\|	наступна сторінка ==>
	\|	Селективні (фотоелектричні) приймачі випромінювання

Не знайшли потрібну інформацію? Скористайтесь пошуком google:

Генерація сторінки за: 0.004 сек.