КРИОГЕННЫЙ БОЛОМЕТР Советский патент 1996 года по МПК H01L39/00 

Изобретение относится к технике регистрации и измерения инфракрасного излучения, а именно к глубокоохлаждаемым болометрам, используемым в спектроскопии, для астрономических и других исследований.

Цель изобретения увеличение чувствительности болометра.

На фиг. 1 схематично изображен один из вариантов конструкции болометра; на фиг. 2 ход температурной зависимости теплоотдачи по нитям болометра (стрелками вдоль осей указано направление увеличения величины).

Болометр содержит термочувствительный элемент 1, к которому присоединены нити 2, осуществляющие тепловую связь с теплостоком 3, находящимся при температуре То.

Болометр работает следующим образом.

Через термочувствительный элемент пропускают ток I. Под действием тепла от рассеиваемой на сопротивлении элемента R электрической мощности P=I² ·R его температура Т повышается до тех пор, пока не установится тепловой баланс
G_s (T_б-Т_о)= Р, (1) где G_s статическая теплопередача тепловой связи при температуре Т_б;
Т_б рабочая температура термочувствительного элемента болометра.

При поглощении болометром измеряемой мощности излучения бо, температура Т_б изменяется на σТ, а сопротивление термочувствительного элемента R на
σR= α · R σ Т, (2) где α температурный коэффициент сопротивления элемента.

Величину σR регистрируют по изменению падения напряжения на сопротивлении R
σU I•σR• (3) где R₁ cопротивление нагрузочного резистора в электрической цепи болометра, и по ней определяют величину σ_q.

Восприимчивость болометра к поглощенной мощности излучения характеризует вольт-ваттная чувствительность S, которая с учетом (2) и (3)
S α•I•R • (4)
Можно видеть, что чувствительность болометра при фиксированных параметрах G_s, T_б, Т_о, α, I и R определяется величиной отношения σ_т / σ_q. Настоящее изобретение направлено на увеличение величины этого отношения. Зависимость изменения температуры σ_т от вызвавшей ее мощности σ_q с учетом изменения при этом рассеиваемой на сопротивлении R электрической мощности Р определяет величина, обозначаемая как динамическая тепловая проводимость болометра G_e
G_e= G_d-α•P•F (5) где G_d динамическая теплопередача тепловой связи при температуре Т_б;
F=(R_н-R)/(R_н+R) коэффициент электротермического взаимодействия.

Динамическая теплопередача G_d обуславливает изменение температуры термочувствительного элемента бт под действием мощности σ_q при условии dP=0. Ее величина определяется производной зависимости температуры элемента Т от подводимой к нему мощности Q при рабочей температуре T_σ
G_d= T T_б (6)
В частном случае, при R=R_н из (5) следует, что G_e=G_α и реализуется абсолютно устойчивый режим работы болометра. Но, по (4) вольт-ваттная чувствительность при этом уменьшается в два раза. На практике используют R_н>>R и следят за тем, чтобы выполнялось условие устойчивой работы болометра
G_d> α · Р. (7)
В соответствии с (6) величина G_d эмпирически может быть определена дифференцированием левой части уравнения теплового баланса (1). С учетом температурной зависимости статической теплопередачи тепловой связи
G_s=G_o (T/T_o)^A, (8) где G_o статическая теплопередача связи при температуре T_o;
A показатель степени в температурной зависимости теплопроводности материала тепловой связи; величина динамической теплопередачи тепловой связи составит:
≫ (9) а вольт-ваттная чувствительность болометра по (4):
G_d= G •(T_σ-T_o)+1
S (10)
При этом условие (8) устойчивой работы болометра становится
•(T_σ-T_o)+1 > α•(Τ_σ-T_o)
(11) Анализируя (9) и (10) можно видеть, что при величинах показателя степени А в температурной зависимости материала тепловой связи меньше нуля ее динамическая теплопередача становится меньше статической. За счет этого при фиксированных параметрах G_s, T_σ T_o, α, I и R достигается увеличение чувствительности болометра по сравнению с известным.

В качестве материала теплоотводящих нитей в зависимости от области рабочих температур болометра могут быть использованы различные металлы, сплавы, композиты и др. теплопроводность которых при рабочей температуре уменьшается с ростом температуры.

Использование: в технике регистрации и измерения инфракрасного излучения, а именно к глубокоохлаждаемым болометрам, используемым в спектроскопии, для астрономических и других исследований. Сущность изобретения: болометр содержит термочувствительный элемент и теплоотводящие нити, причем нити выполнены из материала, имеющего при рабочей температуре болометра степенную температурную зависимость теплопроводности с показателем степени меньше нуля. Величина динамического теплоотвода от термочувствительного элемента такого болометра меньше величины статического теплоотвода. Это приводит при сохранении теплового баланса болометра к увеличению величины его динамического теплового сопротивления и, как следствие, к увеличению температурной и вольт-ваттной чувствительностей. 2 ил.

КРИОГЕННЫЙ БОЛОМЕТР, содержащий термочувствительный элемент и теплопроводящие нити, отличающийся тем, что, с целью увеличения чувствительности, теплоотводящие нити выполнены из материала, имеющего при рабочей температуре болометра степенную зависимость теплопроводности с показателем степени меньше нуля.