СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ МОЩНОСТИ ИЗЛУЧЕНИЯ Российский патент 1995 года по МПК G01J5/20 

Изобретение относится к технической физике, к области измерения потоков излучения инфракрасного и миллиметрового диапазонов спектра и, в частности, к тепловым приемникам излучения и может быть использовано для регистрации и измерения мощности инфракрасного и миллиметрового диапазонов спектра.

Известны способы измерения мощности излучения реализуемые в тепловых приемниках излучения и включающие нагрев чувствительного элемента излучением и измерение этого нагрева (см. например, Кременчугский Л.С. Сегнетоэлектрические приемники излучения. Киев: Наукова думка, 1971; 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 способов является большая величина минимальной измеряемой мощности излучения вследствие невысокого коэффициента преобразования.

Наиболее близкий к заявляемому способ измерения мощности излучения состоит в нагреве сверхпроводящего чувствительного элемента излучением и регистрацию этого нагрева за счет использования высокого температурного коэффициента сопротивления сверхпроводников в области сверхпроводящего перехода. Этот способ вначале был реализован в классических сверхпроводниковых болометрах (D.H.Martin, D.Bloor. Cryogenics, 1961, т.1, с.159), а затем в антенных (Леонов В.Н. Тепловые приемники излучения. Л. ГОИ, 1988, с.17).

Недостатком наиболее близкого способа измерения мощности излучения является большая величина порогового потока вследствие невысокой вольт-ваттной чувствительности сверхпроводниковых болометров.

Целью изобретения является увеличение вольт-ваттной чувствительности и уменьшение порогового потока.

Цель достигается тем, что по способу измерения мощности излучения, включающему преобразование мощности излучения в электрический сигнал болометра, болометр дополнительно облучают потоком излучения миллиметрового или субмиллиметрового диапазона спектра.

Следует отметить, что и в предлагаемом, и в наиболее близком способе измерения мощности излучения возможен гетеродинный прием излучения (Техника спектроскопии в дальней инфракрасной, субмиллиметровой и миллиметровой областях спектра. М. Мир, 1970; Фотоприемники видимого и ИК-диапазонов./Под ред. Р. Дж.Киеса. М. Радио и связь, 1985). Выигрыш от использования гетеродинирования одинаков как в случае заявляемого, так и в случае известных болометров. При этом в предлагаемом способе на приемник поступают три потока регистрируемое излучение, излучение от гетеродина и дополнительный поток миллиметрового или субмиллиметрового излучения. Таким образом, не следует путать предлагаемый способ измерения мощности излучения с гетеродинным режимом работы приемника.

В предлагаемом болометре применяют облучение потоком излучения для работы независимо от того, в каком режиме видеодетектирования или гетеродинирования используется приемник. В известных и наиболее близком способах дополнительное облучение болометра в видеорежиме потоком миллиметрового или субмиллиметрового излучения не осуществляется. Таким образом, заявляемые признаки отсутствуют в известных и в наиболее близком к заявляемому способах измерения мощности излучения, ввиду чего изобретение соответствует критерию "Новизна".

Не известны технические решения со сходными признаками, поэтому предложенный способ соответствует критерию "Существенные отличия".

Рассмотрим возможность достижения положительного эффекта, т.е. увеличения вольт-ваттной чувствительности и уменьшения порогового потока, при осуществлении заявляемого способа.

Пороговый поток Φ_п, измеряемый по наиболее близкому к предлагаемому и по предлагаемому способам измерения мощности излучения, можно выразить формулой
Φ_п= + + + + (1) где k постоянная Больцмана;
σ постоянная Стефана-Больцмана;
Т _и Т_ф температуры болометра и фона;
A площадь болометра;
Ω телесный угол поля зрения болометра;
ε коэффициент поглощения болометра;
G G_уд ˙ A коэффициент тепловых потерь болометра;
G_уд коэффициент тепловых потерь болометра с единицы площади;
R сопротивление болометра;
средний квадрат избыточного токового шума болометра;
средний квадрат напряжения шума предварительного усилителя, приведенного к его входу;
S вольт-ваттная чувствительность болометра.

Чувствительность S болометра, измеряющего мощность излучения по наиболее близкому к предлагаемому способу, можно рассчитать по формуле
S (2) где b коэффициент тепловой неустойчивости;
I ток смещения;
α температурный коэффициент сопротивления болометра.

Коэффициент b можно представить в виде
b (3)
В предлагаемом способе для регистрации излучения с некоторой произвольной частотой ν₁ использовано явление зависимости поверхностного сопротивления R_S сверхпроводящих пленок на частоте излучения ν₂ от температуры с целью оптического "усиления" отклика болометра на излучение с частотой ν₁. Для этого сверхпроводниковый болометр облучают дополнительным потоком миллиметрового и субмиллиметрового излучения с частотой ν₂. Этот дополнительный поток создает тепловыделение в болометре, причем величина тепловыделения зависит от температуры болометра. При этом создается положительная обратная связь: при поступлении потока регистрируемого излучения с частотой ν₁ на болометр он перегревается на некоторую величину ΔТ₁, при нагреве изменяется его сопротивление на частоте ν₂ и, следовательно, увеличивается поглощение излучения с частотой ν₂, что приводит к дополнительному перегреву болометра на некоторую величину ΔТ₂. В результате суммарный перегрев болометра в предлагаемом способе составляет ΔТΔТ₁ +ΔТ₂, тогда как в наиболее близком к заявляемому только ΔТ₁, причем всегда ΔТ₁ < ΔТ₂. Таким образом, реализация предлагаемого способа позволяет получить по сравнению с наиболее близким к заявляемому способом изменение температуры больше, что приводит к "усилению" сигнала того же болометра. Для реализации способа достаточно просто подать на болометр поток излучения в том диапазоне длин волн, на которых болометр имеет сильную зависимость поверхностного сопротивления R_S от температуры (миллиметровые волны и более длинные для классических сверхпроводников, субмиллиметровые волны и более длинные для высокотемпературных сверхпроводников типа YBaCuO) вблизи критической температуры (Высокотемпературная сверхпроводимость. Фундаментальные и прикладные исследования. Сб. статей. Вып. 1. Под ред. проф. А.А.Киселева. Л. Машиностроение, Ленинград. отделение, 1990).

В связи с появлением описанного "усиления" регистрируемого сигнала в предлагаемом способе формулы (2) и (3) преобразуются к виду
S + (4)
b + (5) где Р_г мощность от генератора излучения на частоте ν₂, выделяющаяся в болометре.

Увеличение в предлагаемом способе вольт-ваттной чувствительности приводит к уменьшению порогового потока за счет уменьшения третьего, четвертого и пятого слагаемых формулы (1).

Схема осуществления способа приведена на фиг. 1, где 1 болометр, 2 поток регистрируемого излучения с частотой ν₁, 3 поток излучения с частотой ν₂.

Предложенный способ качественно поясняется графиками, приведенными на фиг. 2, где а зависимость поверхностного сопротивления сверхпроводника на постоянном токе R_□ от температуры; б зависимость поверхностного сопротивления этого же сверхпроводника на частоте ν₂ от температуры; Т_с критическая температура; ΔТ₁ перегрев болометра при поступлении регистрируемого сигнала (ИК- или субмиллиметрового диапазона) с частотой ν₁; ΔR_S изменение поверхностного сопротивления сверхпроводника на частоте ν₂.

На фиг. 3 показан сверхпроводниковый болометр, пример конкретного выполнения, где 1 YBaCuO-пленка, 5 серебряные контакты, 6 подложка из титаната стронция, 2 поток регистрируемого излучения, 3 поток излучения с частотой ν₂.

На фиг. 4 приведена компенсационная схема включения болометров, где 1 болометры, 2 поток регистрируемого излучения, 3 поток излучения с частотой ν₂, 7 и 8 полупрозрачные зеркала, 9-11 резисторы, 12 источник постоянного тока.

Способ осуществляют следующим образом.

На болометр 1 подают модулированное на частоте f излучение с частотой ν₁, мощность которого необходимо измерить (фиг. 1). В то же время на болометр подают немодулированное излучение с частотой ν₂ от источника излучения миллиметрового или субмиллиметрового диапазона. Частота ν₂ при этом выбирается такой, чтобы на ней наблюдалась сильная зависимость поверхностного сопротивления от температуры вблизи Т_с. При изменении температуры болометра, вызванном переменным сигналом на частоте f от излучения с частотой ν₁, изменяется поверхностное сопротивление пленки болометра на частоте ν₂, что приводит к изменению коэффициента поглощения болометра на частоте ν₂ в соответствии с известной зависимостью ε от R_S (Слуцкая В.В. Тонкие пленки в технике сверхвысоких частот. М. Сов. радио, 1967). Изменение ε на частоте ν₂, синхронное с изменением потока на частоте ν₁, приводит к одновременному изменению мощности, выделяемой в болометре излучением с частотой ν₂, что приводит к дополнительному увеличению сигнала на частоте модуляции f в сравнении с наиболее близким к заявляемому способом.

В качестве примера рассмотрим реализацию предлагаемого способа в высокотемпературном сверхпроводниковом болометре из YBaCuO-пленки (фиг. 3), имеющем сверхпроводящий переход при температуре 85 К (Климов А.Ю. Павельев Д. Г. Ткаченко А.Д. Хребтов И.А. В сб. Тепловые приемники излучения. Л. ГОИ, 1990, с. 14). Пленка состава YBa₂Cu₃O толщиной 100-200 нм напылена на подложку 6 толщиной 1 мм, затем при помощи фотолитографии из YBaCuO-пленки изготовлен болометр размером 3 х 3 мм² в виде меандра с шириной полоски около 100 мкм. По краям болометра напылены серебряные контакты 5 для подачи тока смещения через болометр и съема сигнала с него.

Болометр имеет G 7 ˙ 10^-2 Вт ˙ К^-1, R10 кОм, α α≃1K^-1 1 К^-1, S 8 В ˙ Вт^-1. Напряжение шума болометра на частоте f 12,5 Гц составляет U_ш 5,6 ˙ 10^-8 В ˙ Гц^-1/2. Поскольку этот болометр измеряет мощность излучения по наиболее близкому к заявляемому способу, то его вольт-ваттная чувствительность определяется по формуле (2) и из формул (2) и (3) можно получить ток болометра, так как известно, что без учета коэффициента поглощения (ε 1) чувствительность составляет S_(ε=1) 80 В ˙ Вт^-1 (Климов А.Ю. и др. В сб. Тепловые приемники излучения. Л. ГОИ, 1990, с.14). Тогда, подставляя формулу (3) в формулу (2), получают I 0,54 мА.

Использование предлагаемого способа измерения мощности излучения не требует изменения конструкции болометра, достаточно только подать постоянный, немодулированный поток излучения с частотой ν₂ (фиг. 3). Например, подают на болометр излучение с частотой ν₂ 150 ГГц. При этом чувствительность увеличится согласно формуле (4) по сравнению с наиболее близким способом. Для расчета величины чувствительности необходимо определить величину dP_г/dТ. Для рассматриваемого болометра можно записать выражение для Р_г в виде
Р_г ˙ P, (6) где коэффициент поглощения болометра на частоте ν₂;
P мощность излучения с частотой ν₂, подаваемая на болометр.

Выражение для зависит от R_S и может быть записано в виде (Слуцкая В. В. Тонкие пленки в технике сверхвысоких частот. М. Сов. радио, 1967)
= (7)
Z (8) где μ_o и ε_o соответственно магнитная и электрическая постоянные.

С другой стороны, R_S зависит от температуры. Можно записать связь R_S с температурой в виде (Высокотемпературная сверхпроводимость. Фундаментальные и прикладные исследования. Сб. статей. Вып.1/Под ред. проф. А.А.Киселева. Л. Машиностроение, Ленинград. отделение, 1990)
R_s (9) где λ_o Лондоновская глубина проникновения поля в сверхпроводник;
ρ_N удельное сопротивление пленки в нормальном состоянии, t T/T_c.

Выражения (6)-(9) позволяют получить зависимость Р_г от температуры, однако можно показать, что в этом нет необходимости. Действительно, в формулы (4) и (5) входит искомый член dP_г/dТ, который можно записать с учетом выражения (6) в виде
P (10)
Важно получить dP_г/dТ как можно большим, но формула (5) ограничивает эту величину, так как должно быть соблюдено условие b < 1. Поэтому с учетом выражения (5) можно записать
< 1 (11)
Величина члена I²αR/G мала и при I 0,54 мА, α α≃1K^-1 1K^-1, R 10⁴Ом, G 7 ˙ 10^-2 Вт ˙ К^-1 составляет 0,04. Для оценки характеристик болометра, принимающего излучение по предлагаемому способу, берут величину b0,54, чтобы величина левой части неравенства (11) составляла 0,5. Тогда из формулы (5) получают dP_г/dT 0,035 Вт ˙ К^-1. С учетом формулы (10) получают
P 0,035 Вт·K^-1 (12)
Выражение (12) показывает, что нет необходимости добиваться определенной величины d/dT. Достаточно получить ненулевую величину d/dT и подать соответствующую величину P.

Для примера берут два значения t: t₁ 0,99 и t₂ 0,991, причем t₁= T₁/T_c, t₂ T₂/T_c, и в небольшом интервале температур ΔТ Т₂ Т₁рассматривают поведение сверхпроводниковой пленки. Пусть при t t₁поверхностное сопротивление составляет R_S1 Ом, из формулы (9) следует, что при t t₂ оно станет равным R_S 1,17 Ом. Соответственно с учетом формул (7) и (8) составляет ≃ 0,0106 при t t₁ и ≃ 0,0123 при t t₂. При Т_с 86 К рассматриваемый интервал температур ΔТ Т_с (t₂ t₁) составляет ΔТ 0,086 К, поэтому
≈ ≃ 0,02 K^-1
Тогда из выражения (12) получают требуемую мощность излучения P= 1,75 Вт. Если d/dT, например, в 10 раз больше, то из выражения (12) получают P 0,175 Вт. Таким образом, всегда можно получить требуемую величину dР_г/dT.

Итак, взяв dP_г/dT 0,035 Вт ˙ К^-1, из формулы (4) получают, что предлагаемый способ при I 0,54 мА, α= 1 К^-1, R 10⁴ Ом, G 7 ˙ 10^-2 Вт ˙ К^-1, b 0,54, ε 0,1, обеспечивает вольт-ваттную чувствительность S ≃ 100 В ˙ Вт^-1 вместо S 8В ˙ Вт^-1 при использовании того же болометра в режиме работы по наиболее близкому к предлагаемому способу.

Рассмотрим теперь возможность улучшения порогового потока. Увеличение чувствительности приводит к уменьшению влияния шума Джонсона, избыточного токового шума и шума предусилителя на пороговый поток, что следует из формулы (1). Для рассматриваемого болометра первым слагаемым формулы (1) можно пренебречь. Второе слагаемое дает величину напряжения шума
U_G=S (13) составлявшее при работе по наиболее близкому способу при Т 85 К, G 0,07 Вт ˙ К^-1, ε= 0,1, S 8 В ˙ Вт^-1 величину 1,3 ˙ 10^-8 В ˙ Гц^-1/2. Шум Джонсона U_дж при работе по наиболее близкому способу составляет 6,8 ˙ 10^-9 В ˙ Гц^-1/2. Поскольку в эксперименте наблюдается шум U_э 5,6 ˙ 10^-8 В ˙ Гц^-1/2 (Климов А.Ю. и др. В сб. Тепловые приемники излучения. Л. ГОИ, 1990, с.14), то из фоpмулы (1) следует
+=--= 5,4·10^-8 В·Гц^-1/2
Теперь рассмотрим шумы этого же болометра при работе по предлагаемому способу. Три составляющие формулы (1) /S², /S² и /S² уменьшаются в 156 раз, так как S увеличивается в 12,5 раз. Остальные слагаемые формулы (1) не изменяются. В этом случае, как и прежде пренебрегая первым слагаемым формулы (1) и получив в соответствии с формулой (13) UG 1,67 ˙ 10^-7 В ˙ Гц^-1/2, можно подсчитать суммарное напряжение шума
U_ш=+++=2,4·10^-7 B·Гц^-1/2
Пороговый поток составляет при этом
Φ_п==2,4·10^-9 B·Гц^-1/2
Эта величина в ≃ 3 раза лучше, чем при работе этого же болометра по наиболее близкому способу измерения мощности излучения.

На практике может иметь место ситуация, когда источник излучения с частотой ν₂ вносит нежелательный дополнительный вклад в шумы болометра. В этом случае флуктуации мощности излучения с частотой ν₂можно устранить, например, включением болометра по известной компенсационной схеме (фиг. 4). При этом излучение с частотой ν₁подается на один из двух болометров, включенных в мостовую схему, а излучение с частотой ν₂ на оба болометра. При этом разбалансировку сбалансированного моста вызывает только сигнал от излучения с частотой ν₁, а флуктуации мощности излучения с частотой ν₂ сигнала на выходе моста не вызывают. Кроме того, такая схема включения болометров позволяет работать не только с постоянным, но и с модулированным на частоте f потоком излучения на частоте ν₂. Это позволяет в два раза увеличить допустимую мощность Р_г, которую выдерживает болометр.

На примере конкретного выполнения показана реализация способа в сверхпроводниковом болометре классического типа. Показано, что вольт-ваттная чувствительность возросла в 12,5 раз, а пороговый поток уменьшился в 3 раза. Это достигается за счет облучения болометра либо постоянным, либо модулированным потоком миллиметрового или субмиллиметрового излучения.

Предлагаемый способ измерения мощности излучения позволяет достигнуть большей чувствительности и меньшего порогового потока в сравнении с известными тепловыми способами и имеет большие перспективы использования при приеме излучения инфракрасного и миллиметрового диапазонов спектра.

В настоящее время на основе предложенного способа разрабатываются приемные устройства с болометрами обычного и антенного типов на основе как классических, так и высокотемпературных сверхпроводников.

Сущность: способ измерения мощности заключается в том, что при преобразовании мощности измеряемого излучения в электрический сигнал сверхпроводящего болометра его дополнительно облучают потоком излучения миллиметрового или субмиллиметрового диапазона спектра. 4 ил.

СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ МОЩНОСТИ ИЗЛУЧЕНИЯ с помощью сверхпроводящего болометра, отличающийся тем, что, с целью увеличения вольт-ваттной чувствительности и уменьшения порогового потока, сверхпроводящий болометр в процессе измерения одновременно облучают потоком излучения миллиметрового или субмиллиметрового спектрального диапазона, мощность которого выбирают из условия тепловой устойчивости сверхпроводящего болометра.