потока и при возрастании рабочего тока, причем это увеличение становится особенно заметным при токе свыше 10 мкА.

Наибольшее отношение сигнал/шум болометр обеспечивает на частоте модуляции лучистого потока порядка 20 Гц. Увеличение частоты модуляции до 25 Гц уменьшает отношение сигнал/шум в 1,2...1,5 раза. Спектральные характеристики болометра приведены на рис. 6.5.

У полупроводниковых болометров температурный коэффициент сопротивления отрицательный, т. е. с повышением температуры токопроводящего слоя его сопротивление уменьшается. Уменьшение сопротивления ведет к увеличению тока, протекающего через болометр, и к увеличению рассеиваемой мощности, что вызывает дальнейший нагрев элемента и уменьшение его сопротивления. При больших значениях тока этот процесс может привести к перегоранию чувствительного элемента.

Порог чувствительности полупроводниковых болометров приблизительно прямо пропорционален корню квадратному из площади чувствительной площадки. Уменьшение размеров последней связано с трудностями создания оптической фокусирующей системы. Поэтому разработаны иммерсионные болометры, в которых чувствительвый элемент находится в оптическом контакте с линзой, выполненной из материала е большим показателем преломления. При размерах приемной площадки иммерсионного болометра 0,1 X X 0,1 мм можно получить выигрыш в пороговой чувствительности в 3,5 раза по сравнению с болометром, имеющим приемную площадку с размерами 1 х X 1 мм при прочих равных условиях.

Схема полупроводникового иммерсионного болометра, его спектральная и частотная характеристики изображены на рис. 6.6. Болометр имеет диаметр 16 мм и длину около 10 мм. Полусферическая линза выполнена из германия (показатель преломления равен четырем) и имеет на передней поверхности покрытие, уменьшающее отражение падающего излучения.

Пироэлектрические приемники. Действие пироэлектрических приемников основано на способности сегнетоэлектрических материалов создавать электрические заряды на своей поверхности при механических деформациях. Под действием падающего лучистого потока возникает неравномерный нагрев конденсатора с сегнетоэлектриком, что приводит к деформации последнего и к появлению зарядов на обкладках конденсатора. Пироэлектрический приемник не нуждается в источнике питания. Возникающая разность потенциалов измеряется непссредственио либо после предварительного усиления.

Пороговая чувствительность пироэлектрических приемников не зависит от размеров площади чувствительного элемента, поэтому они могут иметь различные конструктивные формы. Обычно приемник состоит из пироэлектрического материала в форме прямоугольного параллелепипе-да передняя грань покрыта золотой чернью, служащей для поглощения излучения, тыльная сторона соприкасается с массивным теплоотводом.

В 1964 р. в Институте физики АН УССР разработаны быстро действующие и высокочувствительные пироэлектрические приемники на основе мелкозернистой керамики титаната бария (BaTiOe) и тонкослойных монокристаллов ТГС (триглицинсуль-фата) [24]. Чувствительный элемент приемника на основе BaTiOs представляет собой тонкий (40... 100 мкм) слой керамики титаната бария с площадью приемной пло-

Рис. 6.5. Спектральная характеристика полупроводникового болометра (входное окно из KRS-5).

виг 6 6 Устройство {с), спектральная {б) н частотная (в) характернстикн полупровод-uKOBoro иммерсионного болометра с германиевой линзой: / - компенсационный боло-* рто- S - полусферическая линза из германия (показатель преломления равен четырем); /-абочнй слой; 4 - вывод.

4 8 12 К мин

100 {,Гц

щадки 1...20 мм. На этот слой распылением в вакууме наносят с двух сторон металлические электроды толщиной не более 100 нм, а иа облучаемый электрод напыляют поглощающий слой (золотая чернь). Чувствительный элемент крепится на держателе при помощи растяжек из фосфористой €ронзы толщиной 20...30 мкм, а держатель помещается в температурной кювете. Основные данные приемника: порог чувствительности 5< 10 * Вт/Гц/ постоянная времени 1...20 мкс, вольтовая чувствительность 10и В/Вт (при размерах приемной площадки Лм).

Чувствительный элемент приемника на основе монокристалла ТГС представляет собой пластину, площадью 1...5 мм и толщиной 5...10 мкм. Конструктивно он выполнен так же, как и чувствительный элемент из batioo. Порог чувствительности 10 * Вт/Гц/-; наибольшая частота модуляции излучения 1000 Гц, внутреннее сопротивление порядка 100 МОм [24].

Пироэлектрические приемники являются емкостными элементами, обладающими большим сопротивлением, что создает определенные трудности при согласовании со входным каскадом. Тепловой и радиационный шумы приемников определяют их порог чувствительности.

.3. ФОТОННЫЕ ПРИЕМНИКИ ИЗЛУЧЕНИЯ

Фотоэлементы и фотоэлектронные умножители. Действие этих приемников основано на внешнем фотоэффекте, заключающемся в испускании (эмиссии) электронов с поверхности чувствительного слоя под действием падающего излучения. Поток электронов, эмиттируемых одним из электродов фотонного приемника (фотокатодом) и улавливаемых другим электродом (анодом), образует во внешней цепи ток, называемый фототоком.

Фотоэлектронную эмиссию из твердого тела можно представить в виде трех последовательных процессов: поглощения фотона, приводящего к передаче его энергии электрону, диффузии возбужденного электрона к поверхности тела и прохождения электрона в вакуум через поверхностный потенциальный барьер. Энергия, необходимая электрону для преодоления потенциального рельефа, называется работой выхода.

Экспериментально установлены следующие законы внешнего фотоэффекта:

1) величина фототока в режиме насыщения (число электронов, вырываемых в единицу времени) прямо пропорциональна интенсивности возбуждающего его излучения (числу фотонов, падающих на поверхность в единицу времени), если спектральный состав излучения неизменен (закон Столетова);

2) для каждого вещества существует длинноволновая граница излучения, sa которой фотоэмиссия не происходит;

3) максимальная начальная кинетическая энергия фотоэлектронов линейно возрастает с частотой падающего излучения и не зависит от его интенсивности (закон Эйнштейна);

4) фотоэффект практически безынерционен: время запаздывания между поглощением и появлением фотоэлектрона меньше Ю' с.

Между числом эмиттируемых фотоэлектронов и числом падающих фотонов существует пропорциональная зависимость; отношение числа фотоэлектронов к числу падающих фотонов называют квантовой аффективноетью фотоамиттера и обозначают Y.

При постоянной облученности фотокатода число эффективных фотоэлектронов в единицу времени определяется как эфф = YF/hv, где F - поток излучения, попадающий на фотокатод; hv - энергия кванта.

Если предположить, что все фотоэлектроны попадут на анод, то фото-ток

1ф=е

YF hv

(6 6>

где е - заряд электрона.

Из формулы (6.6) следует, что величина фотока при прочих равных условиях тем больше, чем больше квантовая эффективность фогоэмиттера, поэтому в качестве фотокатодов используют не чистые металлы, а сложные соединения, такие, как Ag-O-Cs, Bi-Ag-Cs, Sb-K-Na-Cs и др.

В твердом теле электроны находятся в различных энергетических состояниях; после поглощения излучения, в процессе которого энергия фотонов передается электронам, последние обладают различной энергией. Поэтому при облучении твердого тела потоком фотонов одинаковой энергии hv фотоэлектроны имеют различные начальные энергии. Максимальная энергия, с которой самый быстрый фотоэлектрон покидает твердое тело, определяется законом Эйнштейна: (ту2/2)макс= h (v-Vo), где Vo=Cq/%o - пороговая частота, а -о - длинноволновый порог фотоэффекта.

Для работы в инфракрасной области спектра необходимо в качестве материалов для фотокатодов выбирать такие, которые имеют возможно больший длинноволновый порог фотоэффекта. Такими материалами являются соединения щело,чных металлов: цезия, калия, натрия и др.

Фотоэлементы с внешним фотоэффектом представляюг собой, как правило, стеклянный баллон сферической формы (рис. 6.7), из которого откачав воздух. Фотокатод наносят на внутреннюю часть поверхности баллона, остав-

4 Cfi 0,6 0,7 0,8 0,S 1,0

Рис. 6.8

Рис. 6.7. Фотоэлементы с внешним фотоэффектом.

Рис. 6.8. Спектральные характеристики фотокатодов для ближней инфракрасной облает спектра.