Фотоприемник для регистрации инфракрасного излучения в области 10,6 мкм
PHOTODETECTOR FOR RECORDING INFRARED RADIATION IN FIELD OF 10,6 MKM

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения энергии излучения инфракрасного диапазона в области 10.6 мкм.
Область диапазона длин волн 10,6 мкм является наиболее часто используемой в инфракрасном диапазоне. Во-первых, данный факт обусловлен тем, что здесь находятся линии излучения достаточно распространенного CO2-лазера. Во-вторых, близко к этой области находится максимум теплового излучения человека. В этой связи разработка фотоприемников, имеющих чувствительность в данном диапазоне и обладающих улучшенными характеристиками является достаточно актуальной.
Известен имеющий чувствительность в области 10, 6 мкм фотоприемник (ячейка Голея), содержащий герметичную камеру, заполненную газом с малой теплопроводностью, оснащенную входным окном, прозрачным для измеряемого излучения, поглощающей пленкой и гибкой мембраной, являющейся одной из стенок камеры [Ж. Аш и др. Датчики измерительных систем. Книга 1. Глава 5, стр. 219. Москва, "Мир", 1992]. При поглощении пленкой падающего на нее оптического излучения происходит ее нагрев и, вследствие теплопередачи, нагрев газа в камере, что приводит к повышению его давления и соответствующей деформации мембраны. По величине деформации судят о величине поглощенного оптического излучения. Недостатками данного фотоприемника являются неселективность приема, сравнительно большая инерционность и низкая пороговая чувствительность, обусловленная малыми величинами деформации мембраны при поглощении пленкой малых потоков оптического излучения.
Наиболее близким по принципу действия является оптико-акустический детектор. Данный фотоприемник содержит герметичную камеру, прозрачное для измеряемого излучения окно, акустический микрофон в качестве чувствительного элемента и блок электроники, где происходит вычисление величины падающей энергии излучения [Итанин Г.Г. и др. Источники и приемники излучения. Санкт-Петербург "Политехника", 1991. Глава 7, стр. 218]. В отличие от ячейки Голея, поглощение излучения происходит газом, которым наполнена камера, ввиду наличия у него соответствующих полос поглощения. По сравнению с приведенным выше фотоприемником, он обладает спектральной селективностью, меньшей инерционностью и более высокой чувствительностью.
Основным недостатком оптико-акустического детектора является крайне низкая защищенность от влияния акустических и вибрационных помех, обусловленная использованием в качестве чувствительного элемента акустического микрофона. Это обстоятельство приводит к тому, что несмотря на то что чувствительность в средней ИК-области спектра данного фотоприемника приближается к фотоприемникам других типов, а в дальней ИК-области существенно превосходит их, использование его при решении целого ряда практических задач существенно ограничено. Высокая степень восприимчивости данного фотоприемника к акустическим и вибрационным шумам существенно ухудшает его пороговую чувствительность по сравнению с принципиально достижимыми значениями и делает его малопригодным для использования в широкой практике в реальных производственных условиях.
Задачей, на решение которой направлено изобретение, является снижение восприимчивости к акустическим и вибрационным шумам. Технический результат - повышение чувствительности устройства.
Указанный результат достигается тем, что, как и в известном устройстве, фотоприемник содержит герметичную камеру, наполненную газом, оснащенную входным окном, прозрачным для измеряемого излучения, и блок электроники, однако внутри камеры, представляющей собой полый параллелепипед, на месте двух ее противоположных граней, вдоль которых распространяется измеряемое излучение, установлены соединенные с блоком электроники идентичные электроакустические преобразователи, а сама камера заполнена газовой смесью азот-элегаз общим давлением 1 атм, с относительной концентрацией элегаза , где  - расстояние между входным окном и противоположной гранью камеры.
Известно, что при поглощении энергии излучения происходит изменение температуры газа, находящегося в герметичной камере. В свою очередь скорость звука (с) в газе однозначно связана с его температурой (Т) соотношением
где  - отношение теплоемкостей данного газа при постоянном давлении и постоянном объеме, R - универсальная газовая постоянная, μ -молекулярный вес газа.
В соответствии с этим изменение температуры газа может быть определено из соотношения
1
2
1
2
где с и с - скорости распространения звука в газе при температурах Т и Т соответственно.
1
2
Таким образом, в случае поглощения внутри герметичной камеры, наполненной газом, падающего оптического излучения будет происходить нагрев газа и, следовательно, энергия излучения (Е) может быть определена посредством измерения скоростей звука в данном газе до воздействия излучения (c) и после (с).
где k - коэффициент пропорциональности, который может быть рассчитан аналитически либо определен эмпирически путем калибровочных измерений.
Методы измерения скорости ультразвука на сегодняшний день достаточно хорошо развиты и относительно просты в реализации. Ввиду этого, температура газовой среды может быть измерена с относительно малой инерционностью (<10 ms) при чувствительности менее 0,01 К.
6
-1
В качестве газа для наполнения камеры, поглощающего оптическое излучение в области 10.6 мкм, предлагается использование элегаза (SF), который обладает интенсивными полосами поглощения в диапазоне 10.5-10.65 мкм. При этом, ввиду высокого коэффициента поглощения (~60 см), при его содержании в камере уже на уровне 0,1 атм на расстоянии 1 см происходит поглощение более 99.9% падающего излучения. Однако данный газ, также обладает большим коэффициентом затухания ультразвука и относительно высокой удельной теплоемкостью.
В связи с этим предлагается использование для наполнения камеры газовой смеси азот-элегаз общим давлением 1 атм. Относительную концентрацию элегаза в данной смеси (исходя из закона Бугера) предлагается использовать равной , где  - расстояние между входным окном и противоположной гранью камеры. При меньшей концентрации будет происходить неполное поглощение падающей энергии, что будет отражаться на величине чувствительности устройства, а при большей концентрации будет возрастать удельная теплоемкость газовой среды и коэффициент затухания ультразвука, что также будет оказывать негативное влияние на измерения.
Также для увеличения чувствительности предлагается такое расположение электроакустических преобразователей, что ультразвуковые волны от излучателя к приемнику будут распространяться по всему объему камеры, в т.ч. в непосредственной близости от входного окна, где величина нагрева газа будет максимальна.
На фиг. 1 приведено изображение предлагаемого фотоприемника.
Фотоприемник содержит герметичную камеру 1, входное окно 2, электроакустические преобразователи 3, 4 и блок электроники 5.
Фотоприемник работает следующим образом.
Измеряемое оптическое излучение сквозь прозрачное входное окно (2) направляется внутрь герметичной камеры (1), которая наполнена газовой смесью азот-элегаз общим давлением 1 атм, с относительной концентрацией элегаза , где  - расстояние между входным окном и противоположной гранью камеры. Внутри камеры, представляющей собой полый параллелепипед, на месте двух ее противоположных граней, вдоль которых распространяется измеряемое излучение, установлены соединенные с блоком электроники (5) идентичные электроакустические преобразователи (3, 4), один из которых является источником (3) ультразвуковых волн, а другой - приемником (5). Блок электроники осуществляет подачу электрических импульсов на электроакустический преобразователь (3) и измеряет время прихода ультразвукового импульса на приемник (4). Поскольку расстояние между данными электроакустическими преобразователями фиксировано, то путем измерения времени пролета ультразвуковых импульсов определяется скорость распространения звука внутри камеры. В результате поглощения оптического излучения газовой смесью происходит ее нагрев, что приводит к мгновенному увеличению измеряемой скорости ультразвука. Таким образом, путем непрерывного измерения скоростей звука в газе, которым наполнена камера, измеряются скорости звука до воздействия оптического излучения и после. Согласно приведенному выше соотношению 3, путем использования двух данных величин скорости звука, в блоке электроники определяется величина измеряемой энергии излучения.
Необходимо отметить, что индикация результата может быть осуществлена как на встроенном в блок электроники дисплее, так и посредством его вывода на внешний экран (например, на экран компьютера).
Заявленный технический результат обеспечивается тем, что в отличие от прототипа, данный фотоприемник не имеет в качестве регистрирующего датчика высокочувствительного микрофона, обладающего большой степенью восприимчивости к посторонним акустическим и вибрационным шумам.