энергию. В радиометрах применяются тепловые приемники излучения, которые регистрируют общее количество падающей на них лучистой энергии независимо от ее спектрального состава. Такие приемники называются неселективными. Из большого разнообразия тепловых приемников в радиометрах используются, большей частью, болометры, действие которых основано на изменении электрического сопротивления полупроводника или металла под действием падающего лучистого потока.

Болометры делятся на две большие группы, отличающиеся рабочей температурой: неохлаждаемые и охлаждаемые. В неохлаждаемых болометрах используются металлические или полупроводниковые слои. Эти болометры имеют постоянную времени, гораздо меньшую, чем у других типов тепловых приемников излучения. Болометры, охлаждаемые жидким гелием, обладают очень высокой чувствительностью, но из-за сложности криогенной системы затруднено их использование в радиометрах, предназначенных для установки на подвижных объектах.

Спектральный диапазон чувствительности болометров простирается до 50 мкм. При необходимости болометры можно сделать селективными, применяя внешние оптические фильтры или вводя соответствующие красители в органическую пленку, наносимую на поглоща.ющий слой.

Изменение сопротивления болометра при изме-

нении его температуры на величину А Г описывается приближенным равенством

Д^б R6

(2.9)

где Р - температурный коэффициент сопротивления, величина которого зависит от температуры и материала болометра; для большинства металлов

для полупроводников

3000

(2.10) (2.11)

у полупроводниковых болометров (термисторов) величина р больше по сравнению с металлическими, что обеспечивает и большую чувствительность первых.

Болометры обычно включают по мостовой схеме, причем для устранения влияния окружающей температуры на балансировку моста применяются одновременно два болометра, один из которых является компенсационным. При изменении внешних условий параметры обоих болометров изменяются одинаково и равновесие моста сохраняется.

Омическое сопротивление металлических болометров невелико, поэтому их подключают к усилителю через трансформатор. Полупроводниковые болометры, обладающие большим сопротивлением, подключают к усилителю через катодный повторитель.

Рассмотрим устройство и основные параметры некоторых типов болометров, применяемых в радиометрах.

Напыленные болометры типа ФМ. Разработаны в Институте физики им. п. И. Лебедева АН СССР и используются в аппаратуре для астрофизических исследований [46], Чувствительный элемент болометра состоит из двух полос, одна из которых рабочая, а другая - компенсационная. Каждая полоса содержит тонкую (200-ЗООА) пленку из нитроцеллюлозы, на которую с одной стороны нанесен напылением в вакууме токопроводящий слой из сплава висмута со свинцом, а с другой стороны-поглощающий слой. Последний образован из золотой черни, получаемой испарением чистого золота в атмосфере водорода или азота при давлении 150-500 Па. Получаемый осадок черного цвета хорошо поглощает излучение в инфракрасной области спектра. Толщина слоя рыхлой золотой черни 20-30 мкм. Толщина токо-проводящего слоя 0,1-0,2 мкм, ширина 0,3-0,5 мм; при отношении ширины к длине 1 : 10 сопротивление этого слоя 300 Ом, рабочий ток 2-5 мА.

Чувствительный элемент болометра заключен в герметичный стеклянный цилиндрический баллон, в котором поддерживается давление в пределах от 150 до 1300 Па. Излучение попадает на чувствительную площадку через плоское окно из бромистого калия, покрытого тонким слоем фтористого магния для предохранения от влаги.

Несмотря на использование в конструкции болометров ФМ тонкопленочных материалов, они обладают достаточной механической прочностью и выдерживают десятикратные перегрузки. Основные параметры болометров: рабочий диапазон длин волн принимаемого излучения 0,2-40 мкм, площадь чувствительного элемента 0,3 X 3,3 мм постоянная времени 5-20 мс, интегральная чувствительность 10-

25 В/Вт, пороговая чувствительность 1,6 10 -6,4 X X 10 Вт/Гц/г, обнаружительная способность 6,5 х X 10-1,5 . 10 Гц/. . см/Вт.

Металлический болометр фирмы Цейсе . В этих болометрах (рис. 45, а) применяются два чувствительных элемента, изготовленных испарением сурьмы на подложку из

4одоги,

Рис. 45. Устройство (а) и схема включения (б) металлического болометра фирмы Цейсе :

/ - влектровводы; г - стеклянный баллон; 3 - вакуум; 4 - фнк-саторы; В - электроды; 6 - плата из пластмассы; 7 - вакуумная замазка; S - окно, прозрачное для инфракрасных лучей; 9 - чувствительные элементы на ацетатцеллюлозной пленке,

коллодия. Длина элемента 8 мм, ширина 4 мм, сопротивление 260 Ом. Элементы смонтированы на плате из пластмассы и помещены в стеклянный вакуумированный баллон; они включены в мостовую схему (рис. 45, б), питаемую переменным током частотой 4000 Гц при частоте модуляции излучения 12 Гц. Конденсаторы С/ и С2 емкостью по 2200 пФ служат для регулировки фазы, Я1 и R2- балансные резисторы по 20 Ом, г - подстроечный резистор чувствительных элементов, R - потенциометр.

Полупроводниковые болометры типа БКМ. Состоят из рабочего и компенсационного элементов, включаемых в мостовую схему. Чувствительный элемент этих болометров изготовляют из смеси марганца и кобальта в виде прямоугольной тонкой пластины толщиной 10-20 мкм, площадью 0,5-5 мм и сопротивлением 0,5-2 МОм. Токопро-водящий слой наклеивают на массивную подложку из кристаллического кварца, имеющего высокую теплопровод-

ность. За счет этого нагрев, обусловленный падающим излучением, может быстро выравниваться. Болометры, предназначенные для работы в области спектра до 40 мкм, не покрывают поглощающим слоем, их рабочий ток 0,2 мА при напряжении 100-200 В. Болометры типа БКМ не вакуумные. Для предохранения чувствительных элементов от конвекции воздуха и воздействия влаги их помещают в герметичный корпус с входным окном из бромистого калия.

Параметры болометров: размеры чувствительного элемента 0,85 X 2,0 мм, постоянная времени 2,2-5,6 мс, ---- б'

Рис. 46. Частотные характеристики полупроводниковых болометров:

/( г - БКМ соответственно на кварцевой и стеклянной подложке; S БСГ-2.

0,S 0.6 0,4

10 15 20 30 40 60 100 f.rn

интегральная чувствительность 125-170 В/Вт, пороговая чувствительность (1,2-1,6) 10 * Вт, обнаружительная способность 10* Гц*/ см/Вт. Частотные характеристики изображены на рис. 46, где по оси ординат отложены значения чувствительности в относительных единицах [64].

У полупроводниковых болометров температурный коэффициент сопротивления отрицательный, т. е. с повышением температуры токопроводящего слоя его сопротивление уменьшается. При уменьшении сопротивления увеличивается ток, протекающий через болометр, и увеличивается рассеиваемая мощность, что вызывает дальнейший нагрев элемента и уменьшение его сопротивления. При больших значениях тока этот процесс может привести к перегоранию чувствительного элемента.

Полупроводниковые болометры типа БСГ-2. Разработаны в СКВ аналитического приборостроения АН СССР и применяются в инфракрасных радиометрах для дистанционного измерения температуры морской поверхности в диапазоне от -2 до 4-35° С [64]. Устройство болометра и схема его включения изображены на рис. 47. В качестве чувствительного элемента использован тойкий (0,3-0,5 мкм) слой германия, легированного (в процессе напыления)

сурьмой и наносимого способом вакуумного испарения на пленку из нитроклетчатки, толщиной 0,3-0,5 мкм. Тем же способом вакуумного испарения на пленку наносятся серебряные контакты, при помощи которых чувствительный элемент присоединяют к выводам, запрессованным в подложку из оргстекла.

Чувствительный элемент покрывают поглощающим слоем 10-20 мкм, получающимся в результате термического испарения чистого золота в атмосфере азота с последующим

.1-----

1 6

Рис. 47. Устройство (а) и схема включения (б) полупроводникового болометра БСГ-2:

/ - поглощающее покрытие (чернь); 2, 3 - пленки; 4 - серебряный контакт; 5 - слой германия, легированного сурьмой; 6 - подложка нз оргстекла; 7 - серебряный вывод.

осаждением золота на пленку из нитроклетчатки, и помещают в герметичный корпус с входным окном из кристалла КРС-5.

Болометр устойчив к вибрациям, выдерживает значительные перегрузки и может применяться как на стационарных установках, так и на подвижных объектах. Основные параметры болометра: интегральная чувствительность 500-3000 В/Вт, пороговая чувствительность (2 - 8) х X 10 Вт/Гц/% омическое сопротивление 1,7-4,0 МОм,

постоянная времени 13-20 мс, размеры приемной площадки 2,5 X 0,5 мм, рабочий ток до 20 мкА.

Спектральное распределение шумов болометра показывает, что превалирующими на низких частотах являются контактные токовые шумы. Шумы увеличиваются при понижении частоты модуляции падающего лучистого потока и при возрастании рабочего тока, причем это увеличение становится особенно заметным при токе свыше 10 мкА. В цепях питания болометра следует применять только проволочные сопротивления, у которых практически отсутствует токовый шум.

Наибольшее отношение сигнал / шум болометры обеспе-

чивают на частоте модуляции лучистого потока порядка 20 Гц. Увеличение частоты модуляции до 25 Гц уменьшает отношение сигнал/шум в 1,2-1,5 раза. Спектральная характеристика болометра показана на рис. 48.

-----.S

0,8-

Рис. 48. Спектральная характеристика полупроводникового болометра (входное окно из КРС-5).

0.6 0,4 0.2

Полупроводниковый иммерсионный болометр. Порог чувствительности полупроводниковых болометров приблизительно прямо пропорционален корню квадратному из площади чувствительной площадки. Для снижения порога чувствительности необходимо уменьшать размеры чувст-

4 8 12 Л,нкм

0.8 0.8 Ofi 0,2 О

ZS 5075 f, Гц

Рис. 49. Устройство (а), спектральная (б) и частотная (в) характеристики полупроводникового иммерсионного болометра с германиевой линзой:

/ компенсационный болометр; 2 полусферическая линза нз германия;

3 *- рабочий слой; 4 - вывод.

вительной площадки, что вызывает трудности в создании оптической фокусирующей системы. Поэтому разработаны иммерсионные болометры (рис. 49), в которых чувствительный элемент находится в оптическом контакте с линзой, выполненной из материала с большим показателем