Оптико-акустический приемник инфракрасного и ТГц излучения
INFRARED AND THZ RADIATION OPTICAL ACOUSTIC RECEIVER

Изобретение относится к области измерительной техники, а именно для измерений потока электромагнитного излучения дальнего инфракрасного диапазона (включая терагерцовое). Изобретение может быть использовано в ИК и ТГц спектроскопии, системах ночного видения, обнаружения безоболочечных взрывных устройств, технической и медицинской диагностики.
Известно, что приемники излучения классификационно делятся на:
- класс фотонных (квантовых) фотоприемников, в которых энергия фотона преобразуется в некоторую первичную реакцию фотоприемника;
- класс тепловых, в которых энергия фотонов преобразуется в тепло, а реакция фотоприемника возникает как следствие повышения температуры чувствительного элемента.
Принципиальным недостатком фотонных фотоприемников является то обстоятельство, что энергия фотона обратно пропорциональна длине волны излучения(E=hc/λ где h - постоянная Планка; с - скорость света; λ - длина волны), что делает их применение невозможным при длинах волн более 20 мкм даже в случае криогенного охлаждения.
Тепловые фотоприемники имеют постоянную обнаружительную способность в диапазоне 1-2000 мкм, а в диапазоне 20-2000 мкм являются фактически единственным классом фотоприемных устройств, пригодных для практического применения (см. например КиесР. Дж. и др. Фотоприемники видимого и ИК диапазонов М. Радио и связь. 1985. стр. 64, рис. 2.22).
В классе тепловых приемников особого внимания заслуживают оптико-акустические приемники основанные на эффекте Белла-Тиндаля. Явление генерации акустических волн в замкнутом объеме газа под действием светового потока, модулированного вращающимся перфорированным диском, обнаружено в 1880 А.Г.Беллом и получило название опто-акустического эффекта. В 1881 это открытие было подтверждено в работах Дж. Тиндаля и В.К.Рентгена. (Tyndall J.II Proc. Roy. Soc. London. 1881. Vol. 31.P. 3-7-317). Этот эффект заключается в том, что в результате поглощения модулированного излучения возникают колебания температуры газа и его давления, а также акустические колебания, которые передаются гибкой мембране. Частота колебаний зависит от частоты модуляции потока, а интенсивность колебаний - от способности данного газа поглощать инфракрасную радиацию и от интенсивности радиации.
В 1936 г. Хейсу [Hayes, H.V., "A New Receiver of Radiant Energy". Rev. Sci. Instr. Vol. 7, No. 5, May 1936, pp. 202 to 205] удалось использовать эффект Белла-Тиндаля для принципиального усовершенствования классического газового термометра. Он поместил внутрь расширительной камеры специальный элемент, поглощающий исследуемое излучение, и применил принцип динамического конденсатора для отсчетной системы, что позволяло свести измерение деформации гибкой металлической мембраны к измерению электрической емкости.
9
1/2
-1
Известно техническое решение, предложенное в приемнике ИК-излучения ONERA (OfficeNationald'EtudesetdeRecherchesAerospatiales) французского центра аэрокосмических исследований (Шоль Ж., Марфан И., Мюнш М. и др. Приемники инфракрасного излучения. - М.: Мир, 1969. с. 160.) и выбранное в качестве прототипа, в котором поглощающий элемент выполнен в виде термически развязанной от стенок камеры тонкой металлической пленки, нанесенной на газопроницаемую коллодиевую мембрану, гибкая разделительная мембрана между расширительной и компенсационной камерами выполнена на газонепроницаемой полимерной пленке покрытой слоем серебра и изменение температуры регистрируется непосредственно в форме электрического сигнала, вызванного изменением емкости. Обнаружительная способность у него достигает величины 4⋅10 см⋅Гц⋅Вт (что выше, чем у приемника Голея) при постоянной времени 20 мсек.
Недостатком известного технического решения являются ограничение чувствительности и быстродействия устройства, обусловленные упругими характеристиками гибкой мембраны.
Перед авторами ставилась задача создание устройства для измерений потока электромагнитного излучения дальнего инфракрасного диапазона, включая терагерцовое.
Поставленная задача решается тем, что в оптико-акустическом приемнике инфракрасного и ТГц излучения, включающего в себя корпус, который содержит систему из двух газонаполненных расширительной камеры и компенсационной камеры, соединенных расширительным капиллярным каналом, при этом один торец расширительной камеры является входным окном для электромагнитного излучения, внутри расширительной камеры параллельно входному окну располагается коллодиевая пленка со сквозной пористостью, с нанесенным на нее, и термически развязанным от стенок расширительной камеры, металлическим поглощающим элементом в виде тонкой пленки металла с малой теплоемкостью, расширительная камера отделена от компенсационной камеры гибкой токопроводящей газонепроницаемой мембраной от расширительного капиллярного канала до нижней части расширительной камеры, и параллельно входному окну для электромагнитного излучения расширительной камеры, при этом гибкая токопроводящая газонепроницаемая мембрана совместно с неподвижной плоской металлической пластиной, которая размещена в компенсационной камере, образуют динамический конденсатор, дополнительно выполнено напыление тонкого металлического слоя, в виде контактного кольца, обрамляющего гибкую токопроводящую газонепроницаемую мембрану с возможностью герметизации расширительной камеры, а гибкая токопроводящая газонепроницаемая мембрана выполнена в виде однослойного графена.
Технический эффект заявляемого технического решения заключается в повышении быстродействия и чувствительности при измерении потока электромагнитного излучения, а так же в расширении средств данного назначения.
На фиг. 1 представлена блок-схема заявляемого оптико-акустического приемника инфракрасного и ТГц излучения, где 1 - входное окно, 2 - просветляющее покрытие, 3 - корпус, 4 - расширительная камера, 5 - коллодиевая пленка, 6 - металлический поглощающий элемент, 7 - расширительный капиллярный канал, 8 - контактное кольцо, 9 - гибкая токопроводящая газонепроницаемая мембрана; 10 - неподвижная плоская металлическая пластина; 11 - компенсационная камера; 12 - первая обкладка, 13 - вторая обкладка.
Принцип работы заявляемого оптико-акустического приемника инфракрасного и ТГц излучения следующий.
Во всех разновидностях оптико-акустических приемников излучения, основанных на эффекте Белла-Тиндаля основным конструктивным элементом, определяющим метрологические параметры устройства, является гибкая мембрана. В настоящее время лучшие мембраны изготавливаются из тончайших слоев силикона или полиамида толщиной несколько десятков нанометров с покрытием - отражающим металлическим слоем толщиной 100 ангстрем.
2
Мембраной называется тонкая, равномерно растянутая пленка, обладающая распределенной инерцией и упругостью. Инерция мембраны характеризуется массой единицы площади ρ (в кг/м), а упругость - силой натяжения т (в Н м). Из определения следует, что минимальной инерцией будут обладать предельно тонкие мембраны, изготовленные на основе 2D материалов.
В корпусе 3 заявляемого оптико-акустического приемника инфракрасного и тгц излучения расположена система из двух газонаполненных камер: расширительная камера 4 и компенсационная камера 11 которые соединены расширительным капиллярным каналом 7, один торец расширительной камеры 4 является входным окном 1 для электромагнитного излучения, а противоположный закрыт плоской гибкой токопроводящей газонепроницаемой мембраной 9, являющаяся выходным окном для электромагнитного излучения расширительной камеры 4. Модулированное анализируемое ИК либо ТГц излучение проходит через входное окно 1 для электромагнитного излучения, выполненное из прозрачного, в исследуемом диапазоне длин волн, материала, отсекающего коротковолновую часть спектра, имеющее просветляющее покрытие 2 на наружной плоскости, проникает в расширительную камеру 4, корпуса 3, которой выполнен из фотоситалла. Внутри расширительной камеры 4, параллельно входному окну 1, располагается коллодиевая пленка 5 со сквозной пористостью, с нанесенным на нее, и термически связанным от стенок расширительной камеры 4, металлический поглощающий элемент 6 в виде тонкой пленки металла с малой теплоемкостью, например висмут либо свинец. Поглощение излучения ИК либо ТГц приводит к нагреву металлического поглощающего элемента 6. Так как интенсивность излучения ИК либо ТГц модулирована, то в газовой среде расширительной камеры 4 возникают температурные волны. Нестационарный нагрев газа приводит к изменению плотности вещества и распространению акустических волн. Компенсационная камера 11 разделена гибкой токопроводящей газонепроницаемой мембраной 9, от расширительного капиллярного канала 7 до нижней части расширительной камеры 4, параллельно входному окну 1 для электромагнитного излучения. Дополнительно выполнено напыление тонкого металлического слоя, в виде контактного кольца 8, обрамляющего гибкую токопроводящую газонепроницаемую мембрану 9 с возможностью герметизации расширительной камеры 4. Контактное кольцо 8 выполнено в виде напыления тонкого металлического слоя. Гибкая токопроводящая газонепроницаемая мембрана 9 выполнена из плоского газонепроницаемого однослойного графенового диска. Давление акустической волны в расширительной камере 4 приводит к деформации гибкой токопроводящей газонепроницаемой мембраны 9. Гибкая токопроводящая газонепроницаемая мембрана 9 выполненная из однослойного графена и герметизирует расширительную камеру 4 за счет сил притяжения Ван дер Ваальса. Предварительное напряжение растяжения гибкой токопроводящей газонепроницаемой мембраны 9, вызванное силами Ван дер Ваальса, определяется площадью контактного кольца 8. В такой конструкции мощность излучения ИК либо ТГц преобразуется в амплитуду колебаний гибкой токопроводящей газонепроницаемой мембраны 9. Колебания гибкой токопроводящей газонепроницаемой мембраны 9 преобразуются в электрический сигнал с помощью динамического конденсатора, первой обкладкой 12 которого является колеблющаяся гибкая токопроводящая газонепроницаемая мембрана 9, а второй обкладкой 13 динамического конденсатора является неподвижная плоская металлическая пластина 10, размещенная в компенсационной камере 11. Компенсационная камера 11 соединяется с расширительной камерой 4 расширительным капиллярным каналом 7, при помощи которого, уравнивается давление по обе стороны гибкой токопроводящей газонепроницаемой мембраны 9, за счет чего автоматически компенсируются изменения внешних параметров давления и температуры.
Гибкая токопроводящая газонепроницаемая мембрана 9 выполнена из однослойного графена. Графен, толщина одного слоя которого, составляет 0.335 нм, является самым тонким из известных пленочных материалов. Помимо предельно достижимой атомарной толщины, графен имеет ряд предельно высоких значений физических констант. Графен имеет высокую механическую прочность; она соответствует так называемой «теоретической прочности бездефектного твердого тела» и в настоящее время является рекордной (модуль Юнга Е - порядка 1 ТПа), в своем бездефектном виде графен демонстрирует рекордную прочность на растяжение (≈ 130 ГПа) и превосходные упругие свойства (максимальная степень упругой деформации составляет ≈ 25%). Помимо указанного, графен обладает высокой электропроводностью, непроницаемостью для большинства жидкостей и газов, практически полной прозрачностью и химической инертностью.
Известно, что величина прогиба 5 центра плоской гибкой токопроводящей газонепроницаемой мембраны 9, закрепленной по контуру, при малых перемещениях под действием давления Р вычисляется по формуле
2
где R - рабочий радиус гибкой токопроводящей газонепроницаемой мембраны 9 (по контуру закрепления); h - толщина гибкой токопроводящей газонепроницаемой мембраны 9, Е - модуль упругости кГ/см материала гибкой токопроводящей газонепроницаемой мембраны 9 и μ - коэффициент Пуассона материала гибкой токопроводящей газонепроницаемой мембраны 9.
Из приведенного выражения следует, что идеальная гибкая токопроводящая газонепроницаемая мембрана 9 должна сочетать высокую разрывную прочность и низкую изгибную жесткость допускающие деформации при минимально возможной толщине.
Графен является идеальным материалом для изготовления гибкой токопроводящей газонепроницаемой мембраны 9 из-за его высокой прочности, его атомной толщины и высокой электропроводности. Низкая жесткость на изгиб имеет решающее значение для чувствительности к отклонению в ответ на изменения температуры газа, заключенного в расширительной камере устройства, а высокая электропроводность мембраны упрощает конструкцию динамического конденсатора. Таким образом, достигается предельная чувствительность заявляемого оптико-акустического приемника инфракрасного и ТГц излучения.
Преимуществом заявляемого технического решения является значительное снижение весогабаритных характеристик устройства и снижение стоимости изготовления.