Пироэлектрический приемник излучения поперечного типа Советский патент 1986 года по МПК G01J5/58 

00 ел

;о b:

ПИРОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ПРИЕМНИК ИЗЛУЧЕНИЯ ПОПЕРЕЧНОГО ТИПА, содержащий пироактивный элемент в форме параллелепипеда с поверхностным пог: лощением измер яемого излучения. электроды на противоположных боковых гранях пироактивного элемента, перпендикулярных вектору спонтанной поляризации, и схему, регистрации пиротока, отличающийся тем, что, с целью повьшения точности и увеличения верхней границы динамического диапазона измерений, на одной из граней пироактивного элемента расположены два раздельных .электрода, причем электрод, примыкающий к тыльной поверхности пироактивного элемента, имеет ширину не более 1/3 толщины пироактивного элемента и подключен к схеме регистрации пиротока, а остальные электроды заземлены. (Л

иг.1 Изобретение относится к измерительной технике, в частности к приборам для измерения характеристик интенсивного лазерного излучения. Известно устройство на основе пироэлектрического приемника излучения, предназначенное для измерения характеристик мощнь1х лазерных пучков. В этом устройстве с целью увелргчения верхней границы динамического диапазона используются диэлектрические прослойки, наносимые на облучаемую поверхность пироэлемента Недостатком устройства является то, что эти прослойки ухудшают быстродей ствие приемника, и устройство используется только в качестве калориметра. Наиболее близким к изобретению является пироэлектрический приемник излучения поперечного типа, содержащий пироактивный элемент в форме параллелепипеда с поверхностным поглощением измеряемого излучения, электродд на противоположных боковых гранях пироактивного элемента, перпендикулярных вектору спонтанной поляризации, и схему регистрации пиротока. Недостатком этого приемника явля ется то, что верхняя граница динамического диапазона ограничивается температурой облучаемой поверхности при которой нарушается линейность амплитудной характеристики приемника, а точность измерений при высоких температурах снижается из-за температурных зависимостей электрофизических свойств пироэлектрического материала. Цель изобретения - повьппение точ ности и увеличение верхней границы динамического диапазона измерений. Цель достигается тем, что в пироэлектрическом приемнике излучения поперечного типа, содержащем пироактивный элемент в форме параллелепип да с поверхностным поглощением измеряе гого излучения, электроды на протг-гаоположных боковых гранях пироактивного элемента, перпендикулярных вектору спонтанной поляризации, и регистрации пиротока, на одной из граней пироактивного элемента расположены два раздельных электрода причем электрод, примыкающий к тыльндй поверхности пироактивного элемен та, имеет ширину не более 1/3 тол60щины пироактивного элемента и подключен к схеме регистрации пиротока, а остальные электроды заземлены. На фиг. 1 изображена схема пироэлектрического приемника; на фиг. 2расчетное распределение поляризации, обусловленной третичным пироэффектом по толщине пироактизного элемента. Ус1;ройство состоит из пироактивного элемента 1, электродов 2, 3 и 4, нагрузочного сопротивления 5 и измерительной схемы 6. Устройство работает следующим образом. Поток излучения, попадая на пироактивный элемент с поверхностньгм поглощением измеряемого излучения, создает в нем сильньм температурный градиент и связанные с ним неоднородные в объеме пироэлемента механические напряжения и деформации. Пьезо эффект, вызванный этими деформациями, и напряжениями, представляет собой вторичное и третичное пирозлектричество. Теоретический анализ механического состояния свободно подвешенной сегнетоэлектрической пластинки из Li NiOj с кристаллографическими осями, ориентированными так, как показано на фиг. 1, дает для поляризации Р,- , обусловленной третичным пироэффектом, выражения , p;.Qj(K,, «.(г.ь где ; . (« з2«-« л э); ,,); i (S,,,ri (,1 х.,0()Г,,-1)-: 9(x,t)-0()fj,t) ; S, - коэффициенты упругой податливости; о(. - коэффициенты тензора теплового расширения, ®)(,1) - прирост температуры в объеме пироэлемента; Х - координата в направлении толщины; t - время; i - толщина пироэлемента. Как видно из (П , третичная компонента не дает вклада в выходной сигнал, если электроды нанесены на всю площадь граней пироэлемента. Распределение поляризации Pj (X-,t) по толщине пироэлемента приведено на фиг, 2. Как видно из этого графика, на грани, перпендикулярной

3

вектору спонтанной поляризации, можно вьщелить области с одним направлением вектора Ру . Из теоретического анализа следует, что компонента Р имеет один знак в слое толщиной Р/3, отстоящем от облучаемой грани на расстояние 2/3( . В силу этого приемник, сформированный на этом слое, будет генерировать электрический сигнал U(t) за счет третичной компоненты пироэлектрического эффекта. Увеличение слоя свьппе 1/ЗЙ приведет к тому, что полезный сигнал будет формироваться областями с разнополярными откликами, что приведет к уменьшению региструемого сигнала.

Инерционность приемника ограничивается устанолением механического квазистационарного состояния в рассматриваемом слое и определяется врменем с„ Е/, , где 9 - скорость

0

звука вдоль оси Х. Существует также ограничение на длительность импульсов со стороны больших значений что обусловлено природой третичного пироэффекта, существующего в свободной пластине только в условиях неоднородности нагрева пироэлемента. Таким образом, диапазон измеряемых длительностей импульсов с помощью приемника определяется неравенством

е/ « «Vae,

(2)

U

где гб- - коэффициент температуропроводности пироэлемента.

При выполнении условия (2) рассматриваемый слой остается практически холодный в процессе всей длительности импульса и приемник генерирует сигнал только за счет тре.тичной компоненты пироэлектрического эффекта. Электроды 3 и 2 находятся в закороченном состоянии для того,

чтобы избавиться от электр1сческой наводки со стороны слоя, примьпсающе- го к облучаемой поверхности и генерирующего пироэлектрические заряды за 5 счет первичного, вторичного и третичного пироэффектов.

С электродов 2 и 4 снимается пироэлектрический заряд, вызванный третичной компонентой пироэффекта и через нагрузочное сопротивление 5 подается на измерительную схему 6.

Предлагаемый приемник излучения, работающий на третичном пироэффекте, может быть использован- для измерения

5 параметров интенсивного излучения, регистрация которого с помощью ПЛИ, работающих на первичном пироэффекте, становится невозможной из-за изменения электрофизических свойств материала приемника, например диэлектрической проницаемости, проводимости, при разогреве пироэлемента до температур фазового перехода. Точность измерений излучения предлагаемым приемником вьш1е, чем у прототипа, так как область кристалла, которая генерирует полезный сигнал, не подвержена нагреву под действием падающего излучения, поэтому все электрофизические свойства кристалла этой области остаются неизменными в процессе измерения. Верхняя граница динамического диапазона предлагаемого приемника более чем вдвое превьш1ает эту

, характеристику в прототипе и состав. л

ляет 1 кВт/см при длительностиим10 с.

,пульса L

U

Технико-экономическая эффективJность изобретения обусловлена расширением динамического диапазона приемника в сторону больших мощностей с одновременным увеличением точности измерения за счет постоянства температуры рабочей области пироэлемента.

Фиг. 2