Главная -> Прохождение невидимых тепловых лучей 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71 72 73 74 75 [ 76 ] 77 78 79 80 81 82 83 84 85 86 87 88 89 90 91 92 93 94 95 96 97 98 99 100 101 102 103 104 105 106 107 108 109 110 111 112 113 114 115 116 117 118 119 120 121 122 123 124 125 126 127 128 129 130 131 132 По спектральному диапазону чувствительности приемники разделяют на неселективные, чувствительность которых не зависит от длины волны падающего излучения, и селективные, чувствительность которых ограничена определенным длинноволновым пределом. По конструктивным признакам приемники излучения классифицируют на одноаленентные и многоэлементные (мозаичные), а также на неохлаждае-мые, работающие при температурах, близких к 300 К, и охлаждаемые приемники, работающие при температурах 195, 78 и ниже 20 К. Основными требованиями, предъявляемыми к приемникам излучения, предназначенным для работы в инфракрасной аппаратуре, являются: - определенный спектральный диапазон чувствительности, соответствующий характеристикам теплового излучения объектов; - высокий порог чувствительности; - малый уровень собственных шумов; - слабая зависимость выходного сигнала от частоты модуляции падающего лучистого потока (малая инерционность); - линейная зависимость выходного сигнала от величины падающего лучистого потока в широком диапазоне изменений последнего; - слабая зависимость внутреннего сопротивления от температуры; - одинаковая чувствительность по всей рабочей площадке; - малый вес и габариты. Приемники излучения характеризуют рядом параметров и характеристик. При этом под параметром понимают такую величину, единственное значение которой характеризует определенное свойство приемника (прн оговоренных условиях измерения). Параметр может быть измерен непосредственно или вычислен по данным измерений других величин. К основным параметрам приемников излучения относят порог чувствительности, интегральную чувствительность, уровень шумов, сопротивление (темновое) и постоянную времени. Под характеристикой понимают то или иное свойство приемника, которое может быть описано только совокупностью значений каких-либо величин и выражено в виде таблицы или графика. Рассмотрим вначале основные параметры приемников излучения. Интегральная чувствительность. Интегральная чувствительность равна отношению малого приращения одного из параметров приемника, характеризующих его реакцию на внешнее воздействие, к малому изменению воздействия (потока, энергетической освещенности). Для приемников с внешним фотоэффектом s=A Af А .Вт-; s = А 7ДФ А лм- ; s = А/7А£ А . лк-. Для фоторезисторов интегральная чувствительность равна отношению величины относительного изменения сопротивления к изменению его энергетической освещенности: s= {AR/R)/AE, Вт-1 г мз. В практике чаще применяют параметр, который характеризует чувствительность приемника не вообще, а применительно к реальной схеме его включения. Таким параметром является вольтовая чувствительность Sy, представляющая отношение амплитуды эффективного напряжения, снимаемого с приемника, к амплитуде синусоидально модулированного эффективного лучистого потока sy= A/AF В-Вт -*. При отсутствии модуляции сигнала вольтовую чувствительность определяют как отношение приращения напряжения, снимаемого с приемника, к вызвавшему ее приращению лучистого потока. В то время как интегральная чувствительность служит для оценки качества самого приемника, вольтовая чувствительность позволяет оценить как сам приемник, так и схему его включения. Иногда используют также параметр удельной вольтовой чувствительности, равной отношению вольтовой чувствительности к напряжению питания приемника. = AU/AFUn В Вт- * В-К Ввод параметра sq целесообразен для оценки фоторезисторов, так как сигнал на выходе цепи включения этих приемников зависит от величины напряжения питания Ln этой цепи. Интегральную чувствительность приемника излучения характеризуют также отношением числа эмиттированных электронов (вызвавших фотоэффект) к общему числу квантов излучения, попавших на чувствительную площадку. Это отношение называют квантовой эффективностью, или квантовым выходом. Напряжение шумов. Шумами называют хаотические сигналы со случайными амплитудой и частотой, возникающие в цепи включения приемника. Величину напряжения шумов оценивают средним квадратическим значением его амплитуды. Приведем важнейшие виды шумов приемников излучения и описывающие их формулы. а) Тепловой шум возникает вследствие хаотичного теплового движения свободных электронов, в результате чего число электронов, движущихся вдоль проводника в одном направлении, не равно числу электронов, движущихся в противоположном направлении (в любой момент времени). б) Генерационно-рекомбинационный шум обусловлен случайным характером генерации электронов за счет теплового возбуждения кристаллической решетки полупроводника, а также случайным характером рекомбинации этих электронов, т. е. флуктуацией числа и времени жизни носителей. в) Токовой шум обусловлен случайными изменениями сопротивления полупроводника вследствие различных контактных и поверхностных явлений. г) Радиационный шум возникает вследствие флуктуации числа фотонов, эмиттируемых источниками излучения и падающих за определенный промежуток времени на приемник; источниками излучения могут быть теп-лоизлучающие цели, окружающие их фоны и предметы, находящиеся в непосредственной близости от приемника (окно в баллоне, зеркало оптической системы и т. п.). д) Температурный шум определяется случайными колебаниями температуры приемника относительно некоторого среднего значения. е) Дробовой шум возникает вследствие флуктуации во времени потока дискретных частиц, образующих электрический ток. ж) Шум мерцания обусловлен случайными изменениями эмиссии фотокатода. Средние квадратические значения напряжения шумов рассчитывают по следующим формулам: (/?п + /?н) т^ (1-[-4я2/гтг)/2 t/? = sS 1б9п kasn Д/; Ulp = 2eiR ; Ul=SySkT- 5ц ец oAf; = 2eiRl ( 1 -f , \ Qui / где k - постоянная Больцмана, равная 1,38 s Ю-з Дж . К~;- - температура приемника. К; Ra - темновое сопротивление приемника. Ом; Д^ - рабочий интервал частот, Гц; U - напряжение источника питания приемника. В; /? - сопротивление нагрузки. Ом; т - время жизни носителей, с; га - концентрация носителей, см ; V - объем чувствительного материала приемника, см; jj - частота модуляции лучистого потока, Гц; ( - среднее значение тока А; А - постоянный коэффициент (для сернисто-свинцовых фоторезисторов, равный 10~ii ....10 !); ец и 5ц-коэффициент излучения (безразмерная величина) и площадь излучения цели, см2; о - постоянная величина в законе Стсфапа - Больцмана, Вт/ (см -, К*); ди - площадь чувствительной площадки приемника, cm2; вц - коэффициент излучения чувствительной площадки; е - заряд электрона, равный 1,602 10~ Кл; В„ - постоянная, характеризующая природу фотокатода. Отдельным типам приемников излучения в разной степени присущи перечисленные виды шумов. Для фотоэлементов с внешним фотоэффектом основными видами являются дробовой, тепловой и шум мерцания. У фоторезисторов преобладает токовой шум и сильно сказывается тепловой шум. Для фотодиодов в зависимости от схемы их включения доминируют дробовой или тепловой шумы. В термоэлементах тепловой шум мал и при больших энергетических освещенностях заметно сказывается дробовой шум. У полупроводниковых болометров основным видом шума является тепловой. Порог чувствительности. Под этим параметром понимают минимальное значение лучистого потока, вызывающего на выходе приемника сигнал, равный напряжению шумов (среднему квадратическому значению) или превышающий его в заданное т число раз: Рцор- mV Um/sy Вт. Порог чувствительности является одним из наиболее важных параметров приемника, так как он определяет максимальную дальность действия инфракрасного прибора. Значение коэффициента т зависит от того, к чему относят порог чувствительности. Если рассматривать fop обособленно для приемников в стандартизованных условиях, то обычно принимают т= I. Если же Fflop относится к приемникам, включенным в определенную схему, служащую для выделения сигнала на фоне шумов, то коэффициент т принимают равным 3...5. а для некоторых специальных схем даже меньшим или равным 1. Так как напряжение шумов приемника зависит от площади его чувствительной площадки и полосы частот Af усилителя сигнала, то для сравнения различных приемников используют величину порога, отнесенную единичной полосе пропускания (1 Гц) и единичной площади фотоприемника (1 cm2): Вт/(см-Гц1/2). В практике наиболее употребительным критерием качества приемника является величина, обратная fnop и обозначаемая буквой D* (от слова detectivity - способность к обнаружению, или обнаружительная способность). Очевидно, *=и'\/д^и[тУЩ (см.Гц1/2)/Вт. (6.1) Величина D* также не зависит от площади чувствительной площадки приемника, что делает ее удобной для сравнения различных приборов. Обна-ружительную способность обычно записывают как D* (к, fu, 1), где последняя цифра в скобках означает, что ширина полосы равна 1 Гц. Постоянная времени. Промежуток времени Тцот начала облучения приемника до момента, когда его выходная величина достигает заданной части установившегося значения при длительном облучении, называют постоянной времени приемника. У большинства приемников выходной сигнал нарастает по експоненциальному закону, поэтому Тц считается до момента достижения сигналом 0,63 установившегося значения и иногда обозначается То.ез- Постоянная времени приемника определяет максимально возможную частоту модуляции лучистого потока и колеблется в весьма широких пределах: от долей секунд (у некоторых типов болометров) до долей микросекунд (у сурьмянисто-индиевых фоторезисторов). Разброс Тц для различных образцов одного типа приемника не превышает 5 ...10%. Сопротивление. Сопротивление чувствительного слоя /?п оценивают' по-разному для различных типов приемников. Для фоторезисторов Rj - сопротивление слоя при отсутствии облучения приемника (темновое сопротивление); для фотодиодов - отношение изменения напряжения сигнала зменению фототока при заданной энергетической освещенности прием- Велнчина сопротивления влияет как на свойства самого приемника., так и на свойства входной цепи- электронной схемы усиления сигнала. Для |
© 2024 Constanta-Kazan.ru
Тел: 8(843)265-47-53, 8(843)265-47-52, Факс: 8(843)211-02-95 |