СВЕРХПРОВОДЯЩИЙ БОЛОМЕТР Советский патент 1970 года по МПК G01K7/22 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в инфракрасной спектроскопии в диапазоне длин волн ОД -1000 Л1к, в астрономии, навигации, в качестве бесконтактного измерителя темнературы в ряде областей техники и медицины, а также в качестве абсолютного измерителя малых уровней СВЧ-мощности.

Известный сверхпроводящий болометр содержит чувствительный элемент, выполненный в виде узкой оловянной пленки, нанесенной на диэлектрическую подложку толщиной 3-5 мк, размером 3X2 мм, подвещенную на нейлоновых нитях, прикрепленных, в свою очередь, к теплоотводящему металлическому блоку. Блок находится в контакте с гелиевой ванной, температура которой поддерживается таким образом, чтобы рабочая оловянная пленка находилась в промежуточном состоянии. При этом в пределах свсрхпроходящего перехода сопротивление пленки сильно зависит ог температуры. Крутизна характеристики превышает 500 ом/град.

Инфракрасное излучение, модулированное частотой 10 гц, палая на болометр, прогревает его, вызывая повышение Сопротивления. Изменение сопротивления, пропорциональное падающей мощности, регистрируется измерительной схемой. Ввиду малой теплопроводности нейлоновых нитей и нанесенного на них

тонкого нроводяш,его слоя, температуру вдоль оловянной пленки можно считать постоянной. Поэтому такой болометр называется изотермическим.

Чувствительность описанного болометра

в/вт. минимальная обнаруживаемая

мощность Wi,, вт/гц, при постоянной

времени мсек приемного элемента.

Однако сравнительно больщая теплоемкость

нитей, лака и проводящего свинцового слоя в сочетании с весьма малой их теплопроводностью при гелиевых температурах не позволяет получить приемный элемент с достаточно малой постоянной времени т, допускающей

применение частоты модуляции, пригодной для непосредственного усиления сигнала. Прибор с больпюй постоянной времени непригоден для регистрации быстро протекающих процессов. Сложность изготовления и особенности

конструкции приемного элемента не позволяют получать идентичные болометры с воспроизводимыми и стабильными во времени характеристиками. Приемный элемент весьма чувствителен к вибрациям, непрочен и недолговечен из-яя быстрого окисления свинцового слоя и усадки лака. Изотермический болометр нуждается в очень точном поддерл ании температуры (до ± ), что весьма усложняет схему электронного устройства, примеС целью повышения чувствительности, уменьшения постоянной времени приемного элемента, упрош,ения конструкции, повышения наден ности, стабильности и воспроизводимости приемных элементов, чувствительный элемент предлагаемого сверхпроводящего болометра закреплен непосредственно своими концами на теплоотводящем блоке, связанном, с гелиевой ванной токоподводяшими проводами, проходящими через платиновые гермовводы.

Подающее излучение, изменяя тепловой баланс, увеличивает длину нормальной области, увеличивая этим сопротивление болометра.

На фиг. 1 изображена конструкция приемного элемента предлагаемого болометра; на фиг. 2 - то же, в вакуумированпом контейнере.

Приемный элемент состоит из разрезного медного теплоотБодящего блока /, части которого изолированы друг от друга электрически и скреплены слоем 2 полимеризованного клея БФ-4.

На ферхнем торце блока имеется выточка диаметром 6 мм, глубиной 3 мм. К верхнему торцу блока перпендикулярно плоскости разреза припаивается индием стеклянная или кварцевая пленочная подложка 3 толщиной 2-3 мк, размером 0,3X10 мм. Слой индия 4 наносится горячим паяльником карандашного типа па концы подложки и торцовую поверхность блока таким образом, что он образует электрический и тепловой контакт между каждой из половин блока и рабочей оловянной пленкой 5, нанесенной на подложку испарением в вакууме. Толщина пленки 600-

700 А. Пленка сконденсирована на подложку без трафарета и полностью покрывает ее поверхность.

Так как подложка в результате специально разработанной технологии ее изготовления имеет совершенно равные, гладкие края, пленка не имеет краевых неоднородностей и размытия. Поэтому промежуточное состояние таких пленок лежит в узком интервале температур ,05°К, а крутизна перехода --

превышать 1000 ом/град.

Для обеспечения надежного электрического контакта поверх участков пленки, примыкающих к индиевым контактам, и поверх самих контактов напыляется толстая (2000 А) пленка свинца 6 а поверх нее для защиты от окисления - пленка олова 7 толщиной

А.

Обе половинки блока снабжены контактными «усиками 8 к которым припаиваются провода, соединяющие приемный элемент с измерительной схемой.

Приемный элемент крепится с помощью теплоизолирующей фторопластовой прокладки 5 к столику / двумя винтами, проходящими через изолирующие втулки. Столик припаивается легкоплавким припоем к ножке 11,

образующей одно целое с дном 12 вакуумированного контейнера 13, помещаемого в гелиевую ванну.

Подвод питания и соединение с измерительной схемой осуществляется через терые платиновых гермоввода 14 (два спаренных), к которым припаяны медные провода, выведенные из криостата наружу через гелиевую ванну. Токовводы являются одновременно эффективпым теплостоком болометра, теплопроводность которого легко подбирается изменением длины или сечения проводов 15, - идущих от приемного элемента к платиновым вводам. Гермоввод 14 представляет собой штампованный из платиновой фольги толщиной 30- 50 мк колпачок 16 с отверстием, в которое впаяна капля стекла 17 марки № 23 с заранее впаянными в него двумя платиновыми проволочками 180 0,3 мм.

Контейнер 13 выполнен из тонкостенной трубы из нержавеющей стали с медным дном 12 и латунной верхней крышкой 19, представляющей собой одно целое с фокусирующим конусом 20. Дно и крышка соединены с корпусом

контейнера 13 твердым серебряным припоем. Корпус имеет разъем, состоящий из двух медных колец 21 и 22, снабженных треугольным зубом (верхнее) и соответствующим пазом (нижнее). Паз перед сборкой заливается легкоплавким припоем, а после соединения шва дополнительно пропаивается снаружи.

Применяемые гермовводы и уплотнения позволяют получать в контейнере стабильный вакуум лучше 1 мм рт. ст. в течение всего времени работы устройства в жидком гелии.

Работает устройство следующим образом. В отсутствие сигнала температура ванны поддерживается с помощью откачной системы

и маностата так, чтобы температура концов пленки болометра, примыкающих к блоку 1, была несколько пижне критической. При этом середина пленки остается в «нормальном состоянии, поддерживаемом протекающим через

болометр постоянным током 200-500 мка.

Регистрируемый поток ИК-излучения, промодулированный частотой 200-800 гц, проходит через световод 25, фокусирующий конус 20, холодный фильтр 24 и попадает па центральный участок пленки приемного элемента, увеличивая ее сопротивление пропорционально падающей мощности. Усиление возникающего при этом сигнала производится непосредственно па частоте модуляции потока излучения, которая молсет быть изменена в пределах II гц 2 кгц без заметного уменьшения вольт-ваттной чувствительности болометра.

Предмет изобретения

Сверхпроводящий болометр, содержащий чувствительный элемент, выполненный в виде узкой оловянной пленки, нанесенной на диэлектрическую подлол ку, закрепленную на теплоотводящем блоке, состоящем из двух

частей, отличающийся тем, что, с целью повы1аення чувствительности, уменьшения постоянной времени и снижения собственных шумов, чувствительный элемент закреплен непосредственно своими концами на тенлоотводящем блоке, связанном с гелиевой ванной токоподводящил и нроводами, нроходящими через платиновые гермовводы.

fa&

/

-. S. 6. 7,

/

13

IJ

Фиг.. Z