Измеритель мощности излучения Советский патент 1981 года по МПК G01K17/08 C01F5/20 

1

Изобретение относится к измерителям мощности излучения.

К настоящему времени разработаны различные типн измерителей мощности излучения, работа которых основана на тепловом и пондеромоторном действиях энергии излучения 1 .

Эти измерители содержат объели С погЛощсиацими и изолирующими покрытиями для поглощения знергии излучения, а изменение температуры в них регистрируется большим количеством (до 1000 и более) термопар. Они обладают вольтваттной чувствительностью порядка 1 В/ВТ и обеспечивают точность измерений не хуже 15-20%.

Недостатки измерителей: большая инерционность, что делает время измерений слишком большим (не менее 50 с); нестабильность нуля на чувствительных шкалах, что вынуждает проводить многократные измерения одной и той же величины мощности с последтим усреднением; недостаточно широкий динамический диапазон измеряемых мощностей.

Ближайшим известным техническим решением является измеритель мощности излучения, состоящий из чувствительного элемента с изолирующим,

токопроводящим и поглощающим покрытиями, находящегося в тепловом контакте с объемом с высокой теплоемкостью, регистрирующих и ка гибрующих устройств и волновода, канализирующего излучения к чувствительному элементу 2. ,

Однако чувствительность такого измерителя зависит от его температуры

0 (она тем вьлие, чем его температура ближе к точке Кюри), что ограничивает его применение в основномизмерением малых уровней мощностей.

Целью изобретения является повьиие5 ние чувствительности при.одновременном уменьшении инерционности. Поставленная.цель достигается тем, что чувствительшлй элемент установлен под углом €-30° к оси волно0вода, изготовленной из полупроводника с разностью термо-ЭДС по основным кристаллографическим осям, большей 50 мкв/град. и меньшей 250 мкв/град., таким образом, чтобы

5 главная ось анизотропии находилась под углом 45° (±15°) к его плоскости в направлении контактов для съема термо-ЭДС, которые размещены на противоположных узких торцах элемента

0 и находятся вне волновода. Чувствительный элемент изготовлен из антимонида кадмия, легированного германием с концентрацией от 0,01 ат.% ло 0,1 ат.%, и имеет толщину не превышающую суммарную толщину изолирующего, токопроводящего и поглощающего покрытий.

Известно, что если из термически анизотропного кристалла вырезать пластинку так, чтобы кристаллографическая ось была направлена под углом 45 к плоскости пластины, при наложении градиента температур вдоль толщины пластины меящу ее торцами возникает напряжение

1 1

I

где Т и Го - температуры верхней и нижней плоскостей пластины соотвественно, о - длина пластины, b толщина пластины, ot-, и - компоненты тензора термо-ЭДС в главных кристаллографических осях.

При нагревании поверхности пластинки вольтваттная чувствительность такого элемента при пренебрежении потерями тепла на излучение

)

К 2-г -ъ-с

W

где С - ширина пластинки; - коэффициент теплопроводности; о - коэффициент поглощения,

Предельная чувствительность такого элемента ограничивается тепловыми Найквиста: и определяется соотношением

и т 23С /AKTAfabc

пред.

ХЛЛ

Эф.

Отсюда видно, что при прочих равных условиях чувствительность выше (Р меньше), когда выше величина разности термо-ЭДС uot ) и проводимость Сдф.. Величина , повышается путем легирования анизотропного материала р CdSb германием в пределах от 0,01 до 0,1 ат.% При меньших концентрациях германия сурьмянистый кадмий будет высокоомным. При больших концентрациях германий анизотропия термо-ЭДС tkOi уменьшится. В этой области концентраций германия термо-ЭДС и проводимость .сурьмянистого кадмия слабее,

1ем в нелегированных кристаллах, зависят от температуры, что обеспечивает большую температурную стабильность измерителя мощности.

На чертеже изображен общий вид предложенного измерителя мощности.

На подложке 1, обладающей большой теплоемкостью и теплопроводностью (медь, сапфир) и служащей для отвода тепла, размещается через электроизолирукхций слой 2 (если подложка обладает электропроводностью) чувствительный элемент (слой) 3 в виде пластинки из полупроводника CdSb с дырочной проводимостью, имеющей до 100 мкв/град, легированный Ge от 0,01 до 0,1 ат.%, вырезанной таким образом, чтобы главная ось анизотропии находилась под углом 45к плоскости пластинки и была наклонена по направлению к контактам g-g, расположенным на узких торцах пластины (длина плаЪтины больше ширины). В целях уменьшения инерционности измерителя мощности и увеличения динамического диапазона толщина пластины выбирается в пределах 0,1-50 мкм таким образом, чтобы она не превышала суммарной толщины изолирующего 4, токопроводящего 5 и поглощающего б слоев (покрытий) .

Пластина полупроводника покрывается тонким электроизолируЬхдим слоем 4, на который наносится токопроводящее покрытие 5 с сопротивлением 50-500 Ом, служащее для нагревания поверхности чувствительного слоя при калибровке устройства. Нагревание происходит током через контакты k-k. На слой 5 наносится поглоцагаций слой б для поглощения излучения миллиметрового и субмиллиметрового диапазонов радиоволн. Чувствительный слой 3 с покрытиями 4-6 расположен под углом 10° к оси круглого волновода 7 1,5 мм, так, чтобы полностью перекрыть отверстие сечения; при этом контакты g-g и k-k находятся вне области воздействия излучения и используются для подключения регистрирующих и калибрующих устройств соответственно. Излучение по волноводу 7 падает на поглощающее покрытие и нагревает чувствительный слой 3.

Ввиду того, что чувствительный слой находится в тепловом контакте с подложкой 1, имеющей температуру TQ, между передней и задними плоскостями чувствитель.ного слоя 3 устанавливается разность температур. Эта разность приводит к возникновению на боковых гранях чувствительного слоя термо-ЭДС, которая регулируется. Для калибровки через пленку (слой) 5 до и после измерений пропускается постоянный ток, который нагревает пленку и чувствительный СЛОЙ 3 и приводит к возникновению термо-ЭДС. Регистрация калибровочной величины термо-ЭДС и мощности, вьоделенной действием постоянного тока, позволяет определить величину вольтваттной чувствительности и по измеренному значению термо-ЭДС при действии излучения миллиметрового или субмиллиметрового диапазона опр величину поглощенной мощност Изготовленный -вариант измерителя мощности позволяет регистрировать и измерять излучение миллиметрового и субмиллиметрового диапазонов ради волн от единиц микроватт до 0,3 Вт, т.е. динамический диапазон выше 50 дб, обеспечивает точность измере ния не хуже 10-40% при постоянной времени 0,2 с, что существенно пе рекрывает технические характеристики прототипа и других известных измерителей мощности этих диапазонов радиоволн. Формула .изобретения 1. Измеритель мощности излучения миллиметрового и субмиллиметрового диапазонов радиоволн, состоящий из чувствительного элемента с изолирую щим, токопроводящим и поглощающим покрытиями, находящегося в тепловом контакте с объемом с высокой теплоемкостью, регистрирующих и калибрующих устройств и волновода, канализирующего излучение к чувствительному элементу, отличающийся тем, что, с целью повышения его чувствительности при одновременном уменьшении инерционности, чувствительный элемент установлен под углом 6-30 к оси волновода, изготовленной из полупроводника с разностью термоЭДС по основным кристаллографическим осям, большей 50 мкв/град и меньшей 250 мкв/град, таким образом, чтобы главная ось анизотропии находилась под углом 45° () к его плоскости в направлении контактов для съема термо-ЭДС, которые размещены на противоположных узких торцах элемента и находятся вне волновода. 2. Измеритель поп.1, отличающийся тем, что, с целью повышения его температурной стабильности, чувствительный элемент изготовлен- из антимонида кадмия, легированного германием с концентрацией от 0,01 ат.% до 0,1 ат.%, и имеет толщину, не превышающую суммарную толщину изолирующего, токопроводящего и поглощающего покрытий. Источники информации, принятые во внимание при экспертизе 1.Всесоюзный симпозиум по приборам, технике и распространению мил лиметровых и оубмиллиметровых волн в атмосфере. Тезисы докладов и сообщений, М., 25-27, 10, , с. 3-221. 2.Валитов Р.А. и др. Техника субмиллиметровых волн, М., Советское радио, 1969, с. 429 (прототип).

- I