СПОСОБ КОРРЕКЦИИ СОБСТВЕННОЙ ТЕМПЕРАТУРНОЙ ЗАВИСИМОСТИ КРЕМНИЕВЫХ ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ Российский патент 2016 года по МПК G01J1/44 H01L31/04 G01D3/28 G12B7/00 G01N25/72 

Изобретение относится к способам коррекции собственной температурной зависимости кремниевых фотопреобразователей (ФЭП) и может быть использовано при тепловакуумных испытаниях (ТВИ) космического аппарата (КА) или его составных частей с использованием имитатора солнечного излучения.

Использование ФЭП в условиях, имитирующих воздействие факторов космического пространства, имеет ряд особенностей:

1) эксплуатация в диапазоне температур от -180°C до +180°C;

2) нелинейная зависимость температурных коэффициентов ФЭП от уровня освещенности;

3) «Государственный реестр средств измерений» не содержит ФЭП, которые способны применяться в условиях имитации космического пространства, возможна только оценка их показаний относительно других, но работающих только в нормальных условиях, поверенных средств измерений из состава «Госреестра», применяемых в качестве эталона.

Помимо этого, характеристики конкретных ФЭП одной партии несколько различаются, т.к. изготовление имеет определенные технологические трудности.

Теоретический анализ работы ФЭП при различных температурах в основном подтверждается экспериментальными результатами, однако количественная оценка их температурных зависимостей представляет собой значительные трудности по вышеназванным причинам.

Известен способ термоэлектрической стабилизации ФЭП (А.В. Гудкова, С.В. Губин, В.И. Белоконь. Термостабилизация фотоэлектрических преобразователей для измерения ΒΑΧ с импульсным источником света. Харьков. «ХАИ». Открытые информационные и компьютерные интегрированные технологии. 2012. №57. стр. 187-196), основанный на эффекте Пельтье, который заключается в том, что при пропускании постоянного тока через два проводника из разных материалов, спаянных на концах, один из спаев нагревается, а другой охлаждается. Благодаря данному механизму нагрева или охлаждения в зависимости от направления тока возможно, плавно меняя величину тока, также плавно менять величину температуры на спаях. В указанном способе используется термоэлектрический преобразователь (ТЭлП) типа С2-3 как термостабилизирующее устройство. Для поддержания температуры ФЭП на заданном уровне и с необходимым допуском используют термоэлектрическую батарею. Поддержание температуры обеспечивают изменением тока питания батареи от источника ТЕС-41. Температуру термостабилизатора и, соответственно, ФЭП определяют по платиновому термометру сопротивления типа ИС-1 по методу стабильного тока, который проходит через датчик температуры. В качестве источника излучения применяют импульсную ксеноновую лампу ХОР-15.

Недостатком данного способа является ввод термостабилизирующих устройств и источников питания к ним, что при использовании в условиях ТВИ влечет за собой решение вопросов чистоты вакуума и усложнение конструкций на базе ФЭП.

Ввиду отсутствия общих признаков известные способы термостабилизации ФЭП не могут быть приняты в качестве прототипа.

Задачи изобретения заключаются в упрощении способа коррекции собственной температурной зависимости кремниевых ФЭП.

Задачи решены за счет того, что до проведения ТВИ ФЭП устанавливают внутри вакуумной камеры (ВК) с криогенными экранами напротив иллюминатора, на тыльной стороне ФЭП устанавливают температурный датчик (ТД), эталонный датчик освещенности устанавливают снаружи ВК на том же расстоянии от поворачиваемого имитатора солнечного излучения (ИСИ), что и ФЭП; в ВК подачей азота через криогенные экраны устанавливают минимальную температуру, включением ИСИ на минимальной мощности устанавливают минимальную, контролируемую по эталонному датчику освещенность; по мере роста показаний ФЭП в базе данных (БД) запоминают значения температуры и освещенности, снимаемые с ФЭП, для установленного уровня освещенности и при достижении постоянного по освещенности значения замеры останавливают и ИСИ выключают; далее снова в ВК подачей азота через криогенные экраны устанавливают минимальную температуру, включают ИСИ на следующем уровне освещенности и также по мере роста показаний ФЭП в базе данных (БД) запоминают значения температуры и освещенности ФЭП до достижения постоянного значения; далее эти действия повторяют для остальных уровней освещенности с интервалом 100 Вт/м²; на основании полученной БД для каждого уровня освещенности строят зависимости показаний освещенности ФЭП от собственной температуры, проводят линейную аппроксимацию полученных зависимостей, аппроксимируют зависимость угловых коэффициентов полученных прямых от установленных уровней освещенности и получают зависимость типа

а=m·lnP′+n,

где

а - угловой коэффициент полученной при аппроксимации прямой,

Ρ′ - установленная по эталонному датчику освещенность,

m и n - коэффициенты, полученные при аппроксимации зависимости угловых коэффициентов полученных прямых от установленных уровней освещенности;

формируют и решают трансцендентное уравнение типа:

где

$$P{\text{'}}_i$$ - искомое значение реальной освещенности, Вт/м²;

Ρ_i - значение освещенности, рассчитанное по снятому с ФЭП напряжению, Вт/м²;

t_i - температура ФЭП, °C;

t′ - значение t_i, соответствующее P_i, когда P_i соответствует установленной освещенности, определенное ранее в ходе эксперимента, °C;

m и n - множители, определенные в ходе эксперимента.

Суть предложенного способа показана на фиг. 1, 2, и 3. На фиг. 1 представлена установка для первого экспериментального этапа, который заключается в измерении показаний температуры и освещенности ФЭП с применением вакуумной камеры с криогенными экранами и имитатора солнечного излучения (ИСИ) для создания условий, соответствующих условиям эксплуатации ФЭП в ходе ТВИ. На фиг. 2 представлены экспериментально полученные зависимости показаний ФЭП от собственной температуры.

На фиг. 3 представлена зависимость коэффициентов линейного увеличения зависимостей показаний ФЭП, показанных на фиг. 2, от установленной освещенности.

Для реализации данного способа применяют вакуумную камеру 1 с криогенными экранами и иллюминатором 12, размер которого сопоставим с габаритами исследуемого ФЭП, для ввода излучения, имитатор солнечного излучения 2 с поворотной системой излучения, эталонный датчик освещенности 6, измерительные приборы 8, 9, 10 для снятия значений освещенности и собственной температуры ФЭП и соответственно температурный датчик. Эталонный датчик освещенности применяется для обеспечения и контроля требуемого по освещенности режима. Использование эталона для измерения освещенности в процессе ТВИ невозможно по причине ограничений его условий эксплуатации (датчик должен функционировать в диапазоне температур от -180°C до +180°C и низкого давления, соответствующего давлению в космическом пространстве).

Проверяемый ФЭП 7 устанавливают внутри вакуумной камеры напротив иллюминатора. Снаружи вакуумной камеры устанавливают эталонный датчик таким образом, чтобы при повороте ИСИ на проверяемый ФЭП и на эталонный датчик попадал одинаковый по интенсивности и по распределению энергии световой поток (в дальнейшем, при расчетах, необходимо ввести поправку для учета потерь интенсивности излучения на иллюминаторе). Температурный датчик устанавливают с тыльной стороны подложки ФЭП. Сигналы освещенности с ФЭП, эталонного датчика и температуры выводят на измерительные приборы снаружи вакуумной камеры. Температурный диапазон для коррекции данным способом соответствует температурному диапазону ФЭП в ходе ТВИ.

Способ коррекции температурной зависимости условно разбит на два этапа (экспериментальный и аналитический).

Этап 1 (экспериментальный).

В ВК устанавливают давление, соответствующее условиям эксплуатации ФЭП в процессе ТВИ. С помощью подачи азота на криогенные экраны в ВК устанавливают минимальную температуру проверяемого температурного диапазона. Включают имитатор солнечного излучения. Излучение направляют на эталонный датчик. Регулированием тока лампы имитатора солнечного излучения устанавливают минимально допустимую мощность лампы и, соответственно, минимальную освещенность. Контроль уровня освещенности при этом и в дальнейшем осуществляют по эталонному датчику (значения запоминают). Затем излучение направляют на проверяемый ФЭП таким образом, чтобы на ФЭП был направлен аналогичный по интенсивности и распределению с эталонным датчиком световой поток. По мере роста температуры фиксируют показания освещенности (измеряется напряжение в милливольтах) и температуры ФЭП. При достижении постоянного по освещенности значения (стабилизации показаний ФЭП) замеры останавливают и имитатор солнечного излучения выключают. На втором и последующем шагах данные действия повторяют для следующих уровней освещенности (рекомендуемый интервал между уровнями 100 Вт/м²). На базе измеренных значений для каждого уровня освещенности формируют таблицу типа:

Здесь:

Uфэп - напряжение, снимаемое с ФЭП, умноженное на коэффициент пропускания иллюминатора, мВ;

Рфэп - значение освещенности, рассчитанное по формуле $$P_{ФЭП}=k\cdot U_{ФЭП}$$ , где k - известный переводной коэффициент ФЭП, Вт/м²;

Тфэп - температура ФЭП, °C;

N - количество значений по температуре.

Первый индекс в квадратных скобках означает уровень освещенности, второй индекс - значение температуры датчика.

Количество таблиц типа «Таблица 1» соответствует количеству установленных уровней освещенности.

Этап 2 (аналитический).

На базе сформированных таблиц строят зависимости показаний освещенности ФЭП от собственной температуры. Для каждого уровня освещенности строят отдельную зависимость. Пример таких зависимостей представлен на фиг. 2.

Далее проводят линейную аппроксимацию данных зависимостей (например, методом наименьших квадратов) и получают прямые типа P_i(t)=a _i·t_i+b_1i для каждого уровня освещенности E_i. Для каждого уровня освещенности также определяют величины $$P{\text{'}}_i$$ и $$t{\text{'}}_i$$ , которые соответствуют установленной освещенности E_i. При этом верно: $$P{\text{'}}_i=k\cdot U_i$$ , где k - известный переводной коэффициент проверяемого ФЭП, a $$t{\text{'}}_i$$ - значение t_i, соответствующее P_i, когда $$P_i=E{\text{'}}_i$$ . Тогда аппроксимированные зависимости отклонений показаний освещенности от температуры примут характер:

где

При отклонение равно 0, тогда верно:

здесь b_2i и a _i - коэффициенты, полученные при аппроксимации зависимостей отклонений показаний отклонений освещенности от температуры.

Далее проводят анализ коэффициентов линейного увеличения a _i полученных прямых.

Если построить зависимость а(Е) - зависимость коэффициента линейного увеличения a _i от установленной освещенности E_i и аппроксимировать ее, она примет вид, представленный на фиг. 3.

Логично, если рассмотреть уравнение для вольтамперной характеристики ФЭП, что зависимость, представленная на фиг. 3, имеет логарифмический характер, и если ее представить как

тогда, подставив (1), (3) и (4) в (2), имеем для расчета освещенности в точке при проведении ТВИ в условиях, когда нет возможности использования эталонного датчика освещенности, трансцендентное уравнение:

В данном случае искомая переменная - реальная освещенность .

Здесь P_i - значение освещенности, рассчитанное по показаниям ФЭП (напряжению);

t_i - температура ФЭП в момент измерения освещенности;

t'- значение t_i, соответствующее P_i, когда P_i=E_i, определенное ранее в ходе эксперимента;

m и n - коэффициенты, полученные на аналитическом этапе.

a и в - коэффициенты, также полученные на аналитическом этапе.

Поскольку тип уравнения не позволяет решить его явно, рекомендовано применить программно реализованный приближенный графический метод. Суть метода - разбиение уравнения на две функции:

пересечение которых дает решение.

Устройство, взятое для примера реализации данного способа, содержит: вакуумную камеру В18-М с криогенными экранами и иллюминатором диаметром 140 мм, имитатор солнечного излучения ИС-160 с поворотной системой излучения, ФЭП «ДОК-1С», эталонный датчик освещенности - пиранометр «Пеленг СФ-06» с системой измерения, мультиметр АРРА 61 для снятия значений освещенности с ФЭП и установленный с тыльной стороны ФЭП термометр сопротивления ТП 18-05, с которого поступает сигнал на измерительный прибор «Термодат ТД 19Е3». Схема измерений собрана в соответствии с фиг. 1.

При измерениях по вышеприведенному способу получены и аппроксимированы графики температурных зависимостей, изображенные на фиг. 2.

Угловые коэффициенты, полученные при аппроксимации зависимостей температуры от освещенностей, представлены на фиг. 3. Далее по представленному способу получено трансцендентное уравнение:

Для его решения приближенным графическим способом оно разбито на две функции:

Соответственно, для внедрения в программу ТВИ разработан алгоритм, программно реализующий поиск пересечения этих функций на языке Pascal:

Использование вышеприведенного способа позволяет установить характер изменения температурной зависимости ФЭП при изменении уровня освещенности перед ТВИ КА, что особенно актуально для ТВИ космических аппаратов негерметичного исполнения, программа которых предусматривает переменную во времени освещенность. При этом не требуется термостабилизация ФЭП в ходе ТВИ и, соответственно, связанное с этим решение вопросов ввода дополнительных устройств и чистоты вакуума. Коррекция порядка 12% температурных отклонений ФЭП позволяет повысить достоверность измерений уровня освещенности для подтверждения установленного режима ТВИ.

Предложенный способ аналитической коррекции температурной зависимости ФЭП в настоящее время проходит апробацию на испытательном стенде ОАО «Информационные спутниковые системы» им. академика М.Ф. Решетнева с целью последующего внедрения в методику проведения ТВИ.

Изобретение относится к способам коррекции собственной температурной зависимости кремниевых фотопреобразователей (ФЭП) и может быть использовано при тепловакуумных испытаниях (ТВИ) космического аппарата (КА) или его составных частей с использованием имитатора солнечного излучения. В предложенном способе коррекции собственной температурной зависимости кремниевых ФЭП нелинейная температурная зависимость конкретного ФЭП определяется непосредственно перед тепловакуумными испытаниями путем измерения показаний температуры и освещенности ФЭП на разных уровнях освещенности, построением и аппроксимацией графиков полученных данных, анализом угловых коэффициентов зависимостей с последующим построением и решением трансцендентного уравнения. Получены следующие результаты: коррекция собственной температурной зависимости кремниевых ФЭП осуществляется аналитическим способом, исключая при этом ввод в вакуумную камеру дополнительных термостабилизирующих устройств. При этом в процессе ТВИ корректируются отклонения в показаниях ФЭП от реально установленной освещенности в пределах ±12%. Технический результат - упрощение способа коррекции собственной температурной зависимости кремниевых ФЭП. 3 ил.

Способ коррекции собственной температурной зависимости кремниевых фотоэлектрических преобразователей (ФЭП) в ходе тепловакуумных испытаний (ТВИ), заключающийся в том, что до проведения ТВИ ФЭП устанавливают внутри вакуумной камеры (ВК) с криогенными экранами напротив иллюминатора, на тыльной стороне ФЭП устанавливают температурный датчик (ТД), эталонный датчик освещенности устанавливают снаружи ВК на том же расстоянии от поворачиваемого имитатора солнечного излучения (ИСИ), что и ФЭП; в ВК подачей азота через криогенные экраны устанавливают минимальную температуру, включением ИСИ на минимальной мощности устанавливают минимальную, контролируемую по эталонному датчику освещенность; по мере роста показаний ФЭП в базе данных (БД) запоминают значения температуры и освещенности, снимаемые с ФЭП, для установленного уровня освещенности и при достижении постоянного по освещенности значения замеры останавливают и ИСИ выключают; далее снова в ВК подачей азота через криогенные экраны устанавливают минимальную температуру, включают ИСИ на следующем уровне освещенности и также по мере роста показаний ФЭП в базе данных (БД) запоминают значения температуры и освещенности ФЭП до достижения постоянного значения; далее эти действия повторяют для остальных уровней освещенности с интервалом 100 Вт/м²; на основании полученной БД для каждого уровня освещенности строят зависимости показаний освещенности ФЭП от собственной температуры, проводят линейную аппроксимацию полученных зависимостей, аппроксимируют зависимость угловых коэффициентов полученных прямых от установленных уровней освещенности и получают зависимость типа
а=m·lnP′+n,
где
а - угловой коэффициент полученной при аппроксимации прямой,
Р′ - установленная по эталонному датчику освещенность,
m и n - коэффициенты, полученные при аппроксимации зависимости угловых коэффициентов полученных прямых от установленных уровней освещенности;
на базе данной зависимости получают трансцендентное уравнение
Р′_i=P_i+m·lnP′_i·(t_i-t′)+n·(t_i-t′),
где
P′_i - искомая переменная - реальная освещенность,
P_i - значение освещенности, рассчитанное по показаниям ФЭП (напряжению);
t_i - температура ФЭП в момент измерения освещенности,
t′- значение t_i, соответствующее P_i, когда P_i равно установленной по эталону освещенности, определенное в ходе измерений,
m и n - коэффициенты, полученные при аппроксимации зависимости угловых коэффициентов полученных прямых от установленных уровней освещенности;
в дальнейшем при подстановке в это уравнение показаний ФЭП P_i и его собственной температуры t_i в ходе ТВИ и решении его приближенным графическим методом относительно P′_i получают значение освещенности, откорректированное в соответствии с собственной температурой ФЭП.