ПРИЕМНИК ИЗЛУЧЕНИЯ

Полезная модель относится к оптическому приборостроению, а именно к тепловым приемникам излучения, предназначенным для измерения мощности тепловых потоков.
Измерение потоков теплового излучения осуществляется путем измерения какого-либо физического параметра, зависящего от температуры чувствительного элемента приемника. Проблема в измерении мощности постоянных тепловых потоков заключается в необходимости преобразования постоянных потоков излучения в переменные.
Известен пироэлектрический приемник излучения [1], который содержит чувствительный элемент, электрически сопряженный с электродами, измерительное устройство и реверсивный механизм с приводом.
Чувствительный элемент представляет собой полный цилиндр, разделенный на изолированные половины, которые изготовлены из пироэлектрического материала. В пироэлектрическом материале существует спонтанная поляризация, величина которой зависит от температуры.
Для съема электрического сигнала два электрода контактируют с поверхностью соответствующих двух половин чувствительного элемента и подсоединены к измерительному устройству.
Для модуляции постоянных потоков теплового излучения установлен реверсивный механизм с приводом, приводящий во вращение чувствительный элемент.
Принцип работы приемника основан на зависимости величины спонтанной поляризации от температуры чувствительного элемента.
Поток излучения от теплового источника попадает на чувствительный элемент. При нагревании элемента в нем изменяется величина спонтанной поляризации, и на гранях чувствительного элемента наводятся заряды,
которые снимаются электродами и фиксируются измерительным устройством.
При постоянной температуре чувствительного элемента величина наведенных зарядов быстро снижается из-за их компенсации свободными носителями заряда. При этом электрическое поле внутри пироэлектрика отсутствует.
Необходимым условием для создания электрического поля внутри пироэлектрика, то есть для возникновения нескомпенсированных зарядов на поверхности, является переменная температура чувствительного элемента.
Для изменения температуры чувствительный элемент приводится во вращение реверсивным механизмом с приводом. При вращении каждая половина чувствительного элемента периодически то нагревается (при попадании на нее потока излучения), то остывает (если поток не попадает на нее). Тем самым достигается модуляция потока теплового излучения. При нагревании одной половины чувствительного элемента на его поверхности возникает заряд, а при остывании второй половины ранее возникший на ней заряд уменьшается. Заряды с каждой половины чувствительного элемента снимаются электродами и фиксируются измерительным устройством. Чем больше мощность потока теплового излучения, тем в больших пределах изменяется температура чувствительного элемента и больше величина зарядов, фиксируемых измерительным устройством.
Достоинством известного приемника излучения является возможность измерения мощности постоянных потоков излучения. Это достигается преобразованием постоянного потока теплового излучения в переменный путем вращения чувствительного элемента.
Вращение чувствительного элемента обеспечивает модуляцию температуры противоположных граней, что приводит к модуляции зарядов на гранях чувствительного элемента, амплитуду изменения которых можно измерить и по ее величине судить о мощности потока теплового излучения.
Недостатком известного приемника является необходимость преобразования постоянного теплового потока в переменный. Это
обусловлено тем, что чувствительный элемент изготовлен из пироэлектрического материала, реагирующего на переменную составляющую температуры, а именно, при изменении температуры изменяется величина спонтанной поляризации.
Кроме того, недостатком устройства является низкая точность измерения мощности потока теплового излучения, которая обусловлена двумя факторами.
Во-первых, при вращении чувствительного элемента возникают потоки неравномерно нагретого воздуха вокруг него. В результате конвекции температура в разных частях чувствительного элемента изменяется неодинаковым образом, что приводит к возникновению на его поверхности флуктуаций заряда, наличие которых влияет на точность измерения температуры, и, как следствие, мощности потока теплового излучения.
Во-вторых, механическое вращение чувствительного элемента создает вибропомехи, которые приводят к дополнительной неконтролируемой модуляции сигнала. Неконтролируемая модуляция порождает паразитный сигнал, который снижает точность измерения мощности теплового потока на рабочей частоте приемника.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является приемник излучения [2], который содержит модулятор потока теплового излучения, чувствительный элемент, электрически сопряженный с электродами, и измерительное устройство.
Чувствительный элемент представляет собой диэлектрическую пластину, расположенную между двумя электродами, которые соединены с измерительным устройством.
Электроды выполнены из металлов с различной работой выхода и нанесены на поверхность чувствительного элемента в виде пленки. Для лучшего поглощения теплового излучения один из электродов зачернен.
Модулятор представляет собой вращающийся диск с отверстиями, расположенный между источником потока теплового излучения и чувствительным элементом.
Принцип работы приемника основан на зависимости индуцированной поляризации от температуры чувствительного элемента.
Вследствие различной работы выхода двух электродов между ними возникает электрическое квазиоднородное поле, которое поляризует диэлектрик. На гранях диэлектрика возникает индуцированный заряд.
При постоянной температуре чувствительного элемента величина наведенных зарядов быстро снижается из-за их компенсации свободными носителями заряда. При этом электрическое поле внутри диэлектрика отсутствует.
Необходимым условием для создания электрического поля внутри диэлектрика, то есть для возникновения нескомпенсированных зарядов на поверхности, является переменная температура чувствительного элемента.
Поток теплового излучения попадает на зачерненный электрод чувствительного элемента и нагревает его. Для изменения температуры поток теплового излучения модулируется при помощи механического модулятора. При вращении диска модулятора чувствительный элемент периодически то нагревается (при попадании на него потока излучения), то остывает (если поток не попадает на нее). При нагревании чувствительного элемента на его поверхности возникает заряд, а при остывании ранее возникший на ней заряд уменьшается. Заряды с чувствительного элемента снимаются электродами и фиксируются измерительным устройством. Чем больше мощность потока теплового излучения, тем в больших пределах изменяется температура чувствительного элемента и больше величина зарядов, фиксируемых измерительным устройством.
При изменении температуры диэлектрика меняются заряды на гранях чувствительного элемента, и это изменение фиксируется измерительным устройством. По величине электрического сигнала определяется мощность потока излучения.
Достоинством приемника излучения является повышение точности измерения за счет исключения одного из факторов, влияющих на точность измерения, а именно, за счет исключения флуктуаций заряда, обусловленных конвекцией воздуха.
Недостатком известного приемника является необходимость преобразования постоянного теплового потока в переменный. Это обусловлено тем, что чувствительный элемент изготовлен из диэлектрика, реагирующего на переменную составляющую температуры, а именно, при изменении температуры изменяется величина индуцированной поляризации.
Кроме того, недостатком устройства является недостаточно высокая точность измерения мощности потока теплового излучения, которая обусловлена следующим.
Благодаря механической модуляции постоянных потоков излучения создаются вибропомехи, которые приводят к дополнительной неконтролируемой модуляции теплового потока. Неконтролируемая модуляция порождает в чувствительном элементе паразитный заряд и, соответственно, снижает точность измерения мощности теплового потока.
Задача, решаемая полезной моделью, заключается в разработке приемника постоянного потока излучения, позволяющего производить измерение мощности потока излучения без дополнительного его преобразования в переменный за счет создания в кристалле зависящего от температуры квазистационарного электрического тока.
Для решения поставленной задачи в известный приемник излучения, который содержит чувствительный элемент, электроды с разной работой выхода, нанесенные на поверхность чувствительного элемента, и измерительное устройство, соединенное с электродами, в нем в качестве чувствительного элемента выбран легированный кристалл с электропроводностью прыжкового типа.
За счет выбора в качестве чувствительного элемента легированного кристалла с электропроводностью прыжкового типа обеспечивается
возможность измерения мощности постоянного потока без предварительной его модуляции и повышения чувствительности измерения.
Это обусловлено следующим.
В легированном кристалле с помощью электродов из различных металлов формируется квазистационарное электретное поле, под действием которого носители заряда легированного кристалла создают квазистационарный ток.
0
0
0
А
0,25
Именно благодаря выбору в качестве чувствительного элемента сильнолегированного кристалла с электропроводностью прыжкового типа, которая описывается зависимостью σ=σехр(-(Т/Т)), в нем протекает ток, величина которого сильно изменяется с температурой. Тогда как в слаболегированном кристалле с электропроводностью активационного типа, которая описывается зависимостью σ=σехр(-(Е/2kТ)), протекает ток, практически не зависящий от температуры.
Наличие в сильнолегированном кристалле тока, зависящего от температуры, позволяет судить о значении мощности постоянного теплового потока.
Следовательно, благодаря наличию квазистационарного электретного поля в легированном кристалле и прыжкового типа электропроводности легированного кристалла, обеспечивается возможность измерения мощности теплового потока без его предварительной модуляции. Это, в свою очередь, приводит к повышению точности измерения.
На фигуре представлена схема приемника излучения.
Приемник излучения содержит чувствительный элемент 1, электрически сопряженный с электродами 2,3 и измерительное устройство 4.
Чувствительный элемент 1 представляет собой легированный кристалл с прыжковым типом электропроводности, расположенный между электродами 2, 3, которые электрически сопряжены с измерительным устройством 4.
Электроды 2, 3 выполнены сплошными из различных металлов с разными работами выхода и нанесены на противоположные грани
чувствительного элемента в виде пленки. Для лучшего поглощения теплового излучения один из электродов зачернен.
В качестве легированного кристалла выбран легированный кристалл с прыжковым типом электропроводности.
Приемник излучения работает следующим образом.
В легированном кристалле 1 вследствие различной работы выхода электродов 2, 3 возникает электретное поле, которое остается постоянным во времени и не зависит от температуры кристалла. Электретное поле вызывает протекание в легированном кристалле 1 квазистационарного тока.
Свободные электроны в легированном кристалле с прыжковым типом электропроводности перемещаются преимущественно прыжками от одного атома примеси к другому. Это обусловлено малыми расстояниями между атомами примеси в кристаллах с прыжковым типом электропроводности. При этом резко повышается вероятность прыжков электронов между атомами примеси.
Кроме того, электропроводность легированного кристалла прыжкового типа зависит от температуры следующим образом:
0
0
0,25
σ=σехр(-(Т/Т)),
0
0
где σ, Т - эмпирические константы, Т - термодинамическая температура кристалла.
При небольших изменениях температуры электропроводность значительно изменяется. При изменении температуры на 1 К электропроводность изменяется в пределах 10÷50% от исходного значения.
Поток теплового излучения от источника 5 нагревает электрод 2 и легированный кристалл 1.
При неизменном тепловом потоке от источника 5 температура легированного кристалла 1 устанавливается постоянной.
Каждому значению мощности теплового потока от источника 5 соответствует свое значение температуры легированного кристалла 1 и его электропроводности, а, следовательно, и электрического тока в нем, который фиксируется измерительным устройством 4.
Таким образом, по значению тока судят о мощности теплового потока источника 5.
3
3
3
Измерение мощности теплового потока проводилось с помощью чувствительных элементов 1, которые выполнены из кристалла ниобата лития LiNbO (пример 1) и кристалла танталата лития LiТаО (пример 2) размерами 2×2×0,5 мм. Кристаллы легированы железом до концентрации 0,3% от массы кристалла. Электроды 2,3 выполнены из алюминия Аl и хрома Сr.
2
3
Измерение также проводилось с помощью чувствительного элемента, выполненного по прототипу, то есть чувствительный элемент выполнен из кристалла кварца SiO (пример 3) размером 2×2×0,5 мм. Электроды 2,3 выполнены из алюминия Аl и хрома Сr.
В качестве измерительного устройства использован микровольтметр В7-26.
Источник теплового излучения 5, измерение мощности потока которого осуществлялось, представляет собой лампу накаливания.
Значения чувствительности приемников при различных частотах модуляции потока теплового излучения приведены в таблице.
Таблица
Чувствительный элемент
Чувствительность, В/Вт для частоты модуляции излучения:
f=0 Гц
f=0,01 Гц
Пример 1
0,6
0,5
Пример 2
0,05
0,035
Пример 3
0
0,01÷0,001
Из таблицы видно, что при отсутствии модуляции потока теплового излучения (f=0) и при низких частотах модуляции (f=0,01 Гц) чувствительность предлагаемого приемника излучения выше, чем у прототипа, по крайней мере, на 200%.
Кроме того, отсутствие вибропомех приводит к повышению точности измерения мощности потока теплового излучения.
Источники информации, принятые во внимание.
1. Кременчугский Л.С., Самойлов В.Б., Шульга А.Я. Пироэлектрический приемник излучения. - АС №469061. - 1973.
2. Винецкий В.Л., Ицковский М.А., Кременчугский Л.С., Самойлов В.Б. Приемник излучения. - АС №501296. - 1973.