ТЕПЛОВОЙ ПРИЕМНИК ИЗЛУЧЕНИЯ Российский патент 1995 года по МПК G01J5/20 

Изобретение относится к технической физике, и, в частности, к измерениям потоков излучения инфракрасного и миллиметрового диапазонов спектра.

Известны тепловые приемники излучения (см., например, Справочник по приемникам оптического излучения. Под ред. Л.З.Криксунова, Л.С. Кременчугского. Киев.: Техника, 1985; Ишанин Г.Г. Приемники излучения оптических и оптико-электронных приборов. Л.: Машиностроение, 1986; Фотоприемники видимого и ИК-диапазонов. Под ред. Р.Дж.Киеса. М.: Радио и связь, 1985). Недостатком этих приемников является большой пороговый поток вследствие малого коэффициента преобразования. Уменьшение их порогового потока путем уменьшения размеров приемной площадки имеет ограничение в инфракрасной и миллиметровой областях спектра, так как из-за дифракционного предела размер приемной площадки не может быть сделан меньше длины волны регистрируемого излучения.

Наиболее близким приемником излучения является приемник, содержащий термочувствительный элемент и антенну (cм. T.-L. Hwang, D.B.Rutledge, S.E. Schwarz. Appl. Physics Lett., 1979, т. 34, N 1, с. 9-11).

Недостатком этого теплового приемника излучения является большой пороговый поток (1,6˙10^-10 Вт˙Гц^-1/2) вследствие малого сопротивления чувствительного элемента (десятки или сотни Ом), требуемого из условия согласования с антенной.

Целью изобретения является уменьшение порогового потока теплового приемника излучения.

Цель достигается тем, что в известном тепловом приемнике излучения, содержащем термочувствительный элемент и антенну, термочувствительный элемент имеет сопротивление больше внутреннего сопротивления антенны, но не более чем в 11,4 раза.

Перечисленные признаки отсутствуют в наиболее близком приемнике излучения, ввиду чего предлагаемое изобретение соответствует критерию "новизна".

Сравнивая заявляемый приемник излучения с известными тепловыми приемниками, следует отметить, что известные приемники не содержат чувствительного элемента, сопротивление которого больше внутреннего сопротивления антенны, но не более чем в 11,4 раза.

Авторам неизвестны технические решения со сходными признаками, поэтому предложенный приемник излучения соответствует критерию "существенные отличия".

Рассмотрим возможность достижения положительного эффекта, т.е. уменьшения порогового потока, при осуществлении заявляемого теплового приемника излучения.

Пороговый поток предлагаемого приемника излучения и наиболее близкого устройства (болометра) можно выразить формулой
Φ_п= + + + (1) где k - постоянная Больцмана;
σ - постоянная Стефана-Больцмана;
Т - температура фона и приемника излучения;
A - площадь, в которую фокусируется измеряемое излучение;
ε - коэффициент поглощения приемника излучения;
G=G_уд˙p - коэффициент тепловых потерь приемника излучения;
G_уд - коэффициент тепловых потерь приемника с единицы площади;
p - площадь термочувствительного элемента;
R - сопротивление приемника излучения;
- среднеквадратичное значение напряжения шума предварительного усилителя, приведенное к его входу;
S - вольт-ваттная чувствительность приемника излучения.

Чувствительность S болометра можно рассчитать по формуле
S = (2) где B = - эффективная площадь антенны;
λ - длина волны регистрируемого излучения;
D - коэффициент направленного действия;
γ - коэффициент согласования антенны с термочувствительным элементом;
b = - коэффициент тепловой неустойчивости;
I - ток смещения;
α - температурный коэффициент сопротивления термочувствительного элемента.

Рассматривая формулы (1) и (2), обсудим возможность уменьшения порогового потока в предлагаемом приемнике излучения за счет увеличения сопротивления термочувствительного элемента.

Первый и второй члены выражения (1) для наиболее близкого приемника излучения от сопротивления не зависят. Действительно, коэффициент поглощения можно выразить формулой
ε = (3)
а коэффициент γ можно представить в виде:
γ = (4) где R_A - внутреннее сопротивление антенны.

В наиболее близком приемнике излучения сопротивления термочувствительного элемента согласовано с внутренним сопротивлением антенны, т.е. R= R_A. Следовательно, γ = 1.

В предлагаемом приемнике излучения делают R>R_A. В этом случае из формулы (4) следует, что γ< 1, а из формулы (3) - что ε уменьшается. Таким образом, при R>R_A первый и второй члены выражения (1) только увеличиваются.

Третья составляющая выражения (1), с учетом выражений (2) и (4), при увеличении R также растет.

Четвертый член выражения (1) в известных устройствах уменьшается при увеличении сопротивления термочувствительного элемента, поскольку, согласно формуле (2), вольт-ваттная чувствительность пропорциональна R^1/2. Однако в случае наиболее близкого приемника изменять сопротивление термочувствительного элемента нельзя, поскольку оно должно быть согласовано с антенной (R=R_A).

В предлагаемом устройстве делают R>R_A, вследствие чего, несмотря на уменьшение коэффициента γ в соответствии с выражением (4), вольт-ваттная чувствительность увеличивается в соответствии с формулой (2). Этого увеличения вольт-ваттной чувствительности можно достигнуть при R_A< R ≅ 11,4˙R_A. Вне этого интервала выигрыша в вольт-ваттной чувствительности не получить. Сопротивление термочувствительного элемента, соответствующее максимальному выигрышу в чувствительности, можно получить, приравняв производную dS/dR к нулю. Получаемое в результате такой операции решение R=3R_A соответствует максимально достижимой вольт-ваттной чувствительности, которая на 30% выше, чем предельно достижимая S в наиболее близком тепловом приемнике излучения. В результате четвертый член выражения (1) может быть уменьшен в 1,3 раза в сравнении с наиболее близким устройством. Этот выигрыш может иметь место, если четвертый член выражения (1) превышает сумму первых трех членов этого выражения. В реальных устройствах, работающих при комнатной температуре, предлагаемый приемник имеет преимущества при использовании антенн с внутренним сопротивлением менее 50-100 Ом и использовании предварительного усилителя с собственным шумом 1,5 нB˙Гц^-1/2. При использовании предлагаемого приемника в режиме охлаждения выигрыш достигается практически со всеми антеннами, используемыми в антенных тепловых приемниках излучения, при температурах около 100 К и ниже. При использовании предусилителей с собственным шумом более 2-3 нВ ˙Гц^-1/2выигрыш в пороговом потоке достигается практически для всех антенн даже при комнатной температуре.

На фиг. 1 показан предлагаемый тепловой приемник излучения, где 1 - антенна, 2 - термочувствительный элемент; на фиг. 2 показана конструкция и приведены размеры предлагаемого приемника для конкретного выполнения, где 1 - антенна, 2 - термочувствительный элемент, 3 - подложка.

Рассмотрим работу предлагаемого устройства. Электромагнитное поле измеряемого излучения с частотой ν=c/λ (с - скорость света; λ - длина волны излучения) наводит в антенне 1 высокочастотный ток той же частоты. При этом происходит преобразование мощности измеряемого излучения в мощности высокочастотного тока. Этот ток, распространяясь по антенне 1, проходит через согласованный с антенной термочувствительный элемент 2. При этом мощность высокочастотного тока передается в термочувствительный элемент 2, где, вследствие Джоулева нагрева его этим током, происходит преобразование мощности высокочастотного тока в тепловую мощность. Нагрев термочувствительного элемента 2 может быть измерен посредством болометрического или термоэлектрического эффекта.

В качестве примера рассмотрим конкретный тепловой приемник излучения - болометр, схема и размеры которого для приема излучения с длиной волны λ = 119 мкм приведены на фиг. 2. Болометр содержит пленочную бантовую серебряную антенну 1 толщиной 100 нм и пленочный термочуствительный элемент 2 из висмута, расположенные на подложке 3. Подложку 3 изготавливают из кремния, наносят слой SiO₂ толщиной 0,17 мкм, а затем - слой полиимида толщиной 0,5 мкм. При подаче излучения на болометр, вследствие того, что материал термочувствительного элемента имеет температурный коэффициент сопротивления, сопротивление этого элемента изменяется, что регистрируется обычным образом, при пропускании тока через термочувствительный элемент.

Положительный эффект в предложенном устройстве достигается за счет увеличения вольт-ваттной чувствительности болометра. Увеличения вольт-ваттной чувствительности болометра достигается за счет увеличения сопротивления термочувствительной пленки в соответствии с формулой (2) в сравнении с наиболее близким устройством. В наиболее близком болометре сопротивление термочувствительной пленки должно быть равно внутреннему сопротивлению антенны, т.е. 80 Ом (см. D.P.Neikirk, P.P.Tong. D.B.Rutledge, H.Park, P.E. Young. Appl. Physics Lett, 1982, т. 41, N 4, с. 329-331). В предложенном устройстве сопротивление термочувствительной пленки при R_A=80 Ом можно менять в пределах 80< R ≅ 912 Ом. Его оптимальное сопротивление при различных температурных режимах будет различным. Рассмотрим две рабочие температуры - 300 К и 77 К (температура жидкого азота).

Режим работы - 300 К.

В предлагаемом болометре сопротивление термочувствительного элемента имеет смысл увеличить в 1,5-2 раза в сравнении с наиболее близким болометром, т.е. до 120-160 Ом вместо 80 Ом. При этом в соответствии с формулой (2) вольт-ваттная чувствительность увеличится на 18-26%, а коэффициент γ уменьшится на 4-11% соответственно. В результате, исходя из формулы (1), при использовании предварительного усилителя с собственным шумом 1,5 нB˙Гц^-1/2, пороговый поток уменьшится примерно в 1,1 раза в указанной области сопротивлений.

В рассматриваемом примере при температуре 300 К не имеет смысла делать R>2R_A, поскольку из-за численного соотношения третьей и четвертой составляющих выражения (1) при R>2R_A выигрыш в пороговом потоке уменьшается. При R= 3R_A выигрыша нет, а при R>3R_A пороговый поток даже увеличивается. Однако это не означает, что вообще делать R>3R_A не имеет смысла. Все зависит от конкретных условий работы. Рассмотрим вариант, когда дальнейшее увеличение R приводит к уменьшению порогового потока.

Режим работы - 77 К.

При понижении температуры уменьшаются первые три слагаемых формулы (1). Это помогает добиться большего уменьшения порогового потока в сравнении с наиболее близким устройством. Так, при температуре 77 К наибольший из первых трех членов формулы (1), содержащий шум Джонсона 4 kTR=4,4˙ 10^-21 В² ˙Гц^-1, существенно меньше четвертого члена формулы (1), поэтому основной вклад в шум болометров вносит шум предусилителя (=2,3 ˙10^-18 В²/Гц). Поэтому первыми тремя составляющими порогового потока в формуле (1) можно просто пренебречь и тогда задача минимизации порогового потока сводится к уменьшению четвертого члена формулы (1), т.е. к увеличению вольт-ваттной чувствительности.

Но максимум чувствительности в предлагаемом болометре достигается при R= 3R_A, т. е. R=240 Ом. В этом случае вольт-ваттная чувствительность в соответствии с формулой (2) увеличивается в 1,3 раза. Но даже если по каким-либо технологическим причинам не удастся точно сделать R=3R_A, то в довольно широком интервале, от R ≃ 2R_A до R ≃ 5R_A, пороговый поток уменьшается по сравнению с наиболее близким болометром не менее, чем на 25%. Вообще же область изменения R, в которой будет иметь место уменьшение порогового потока, составляет R_A< R ≅ 11,4 R_A, т.е. как было указано выше, 80< R ≅ 912 Ом.

Предлагаемый тепловой приемник излучения позволяет достигнуть меньшего порогового потока в сравнении с известными тепловыми приемниками излучения и имеет большие перспективы использования при приеме излучения в инфракрасной и миллиметровой области спектра.

Использование: тепловой приемник излучения применяется для измерения интенсивности слабых тепловых полей. Сущность: тепловой приемник содержит термочувствительный элемент и антенну, причем сопротивление термочувствительного элемента превосходит внутреннее сопротивление антенны, но не более чем в 11,4 раза. 2 ил.

ТЕПЛОВОЙ ПРИЕМНИК ИЗЛУЧЕНИЯ, содержащий термочувствительный элемент и антенну, отличающийся тем, что, с целью уменьшения порогового потока, термочувствительный элемент имеет сопротивление больше внутреннего сопротивления антенны, но не более чем в 11,4 раза.