Навигация
Приемники излучения (определение и классификация)
25656
знаков
0
таблиц
2
изображения
3. Приемники излучения (определение и классификация)
Приемник излучения является основным элементом оптико-электронного прибора. По существу, само название приборов — оптико-электронные—обязано свойству приемника преобразовывать поток излучения в электрический сигнал.
Существуют различные определения приемника излучения, однако все они отражают главное свойство приемника — способность обнаруживать наличие излучения путем преобразования его в энергию других видов для последующей регистрации. В иностранной технической литературе это свойство приемника излучения находит выражение в названии — детектор, т. е. обнаружитель.
Таким образом, приемник излучения представляет собой устройство, служащее для восприятия энергии излучения и преобразования ее в энергию других видов с целью последующей регистрации результата этого преобразования, приводящей к обнаружению.
Процесс обнаружения излучения состоит из двух основных этапов: преобразования энергии оптического излучения в другой вид энергии и регистрации преобразованной энергии. Например, в термоэлементе поток излучения вызывает появление электродвижущей силы, которая регистрируется обычным образом (гальванометром); в эвапорографе энергия излучения поглощается и вызывает нагрев и испарение масляной пленки, изменение толщины которой регистрируется интерференционными методами и т. д.
Приемники излучения могут классифицироваться по следующим признакам: виду энергии, в которую преобразуется излучение; характеру изменения чувствительности приемника при изменении длины волны падающего излучения; области спектра, где они наиболее чувствительны и находят наибольшее применение; рабочей температуре чувствительного слоя.
По виду энергии, в которую преобразуется излучение, приемники излучения делятся на тепловые, фотоэлектрические или фотонные, люминесцентные, фотохимические.
В тепловых приемниках энергия излучения преобразуется в теплоту, а регистрация преобразования сводится к измерению приращения температуры приемной площадки, нагретой вследствие облуче ния. Способ регистрации изменения температуры определяет конкретный тип теплового приемника излучения.
В термоэлементе изменение температуры приемной площадки вызывает появление электродвижущей силы в контуре, образованном двумя спаянными или сваренными проводниками из различных металлов.
В болометре изменение температуры вызывает изменение электрического сопротивления проводника или полупроводника.
В оптико-акустическом приемнике изменение температуры приемной поверхности, образующей одну из стенок газовой камеры, вызывает изменение температуры и объема газа и прогиб мембраны — второй стенки газовой камеры.
В эвапорографе изменение температуры вызывает изменение толщины масляной пленки.
В диэлектрическом приемнике изменение температуры вызывает изменение диэлектрической проницаемости диэлектрика конденсатора, имеющей сильную температурную зависимость, и соответствующее изменение емкости конденсатора регистрируется. Разновидностью диэлектрического приемника является пироэлектрический приемник излучения, в котором диэлектриком конденсатора служит сегнето-электрик, т. е. вещество, на поверхности которого появляется электрический заряд при механических деформациях.
Неравномерный нагрев конденсатора приводит к деформациям, и на обкладках конденсатора возникают заряды, которые регистрируются.
В термиконе изменение.температуры вызывает изменение величины фотоэмиссии и т.д.
В фотоэлектрических (фотонных) приемниках энергия излучения преобразуется в механическую энергию электронов, испускаемых облучаемым веществом. Если электроны, освобожденные квантами излучения, покидают вещество, из атомов которого они вырваны, то явление носит название внешнего фотоэффекта, если же электроны остаются в веществе, то явление называется внутренним фотоэффектом. Влияние внутреннего фотоэффекта на характеристики вещества может быть различным в зависимости от условий, которые созданы для освобожденных электронов. Если они могут перемещаться внутри вещества в любом направлении, то вещество остается нейтральным и лишь электропроводность его изменяется. Если же в веществе созда- ются условия односторонней проводимости и электроны могут перемещаться лишь в одном направлении, то в веществе возникает разность потенциалов, создающая ток во внешней цепи.
Фотоэлектрические приемники излучения, в которых используется явление внешнего фотоэффекта, называются фотоэмиссионными приемниками. К ним относятся вакуумные и газонаполненные фотоэлементы, фотоумножители, электронно-оптические преобразователи (ЭОПы) и некоторые телевизионные передающие трубки (диссектор, иконоскоп, суперконоскоп, ортикон, суперортикон и др.).
Приемники с внутренним фотоэффектом, в которых используется явление изменения электропроводности вещества, называются фоторезисторами или фотосопротивлениями.
Приемники, в которых используется явление возникновения э. д. с, называются фотогальваническими, вентильными фотоэлементами или фотоэлементами с запорным слоем.
Если в качестве контактирующих веществ в вентильном фотоэлементе применяются полупроводники с различным типом проводимости, то наряду с возникновением разности потенциалов между слоями с р- и п-проводимостью при неравномерном освещении чувствительного слоя образуется разность потенциалов вдоль р-n-перехода. Эту фото-э. д. с. называют продольной или боковой, а соответствующие приемники — фотоэлементами с продольным или боковым эффектом.
Если к чувствительному элементу приемника излучения с запорным слоем приложить напряжение так, что оно препятствует возникновению тока во внешней цепи приемника при освещении, то изменение величины потенциального барьера под действием излучения приводит к изменению сопротивления и падению напряжения на приемнике. Этот режим работы называют фотодиодным. Изменение тока, проходящего через фотодиод при освещении, может усиливаться, как в обычном полупроводниковом триоде, тем же полупроводником, в котором создан запорный слой. В этом случае соответствующий комбинированный приемник излучения называется фототриодом. Условия односторонней проводимости и, следовательно, появления э. д. с. при освещении, можно создать в полупроводнике, помещая его в магнитное поле, ориентированное по нормали к падающему излучению. В этом случае носители тока (электроны и дырки) отклоняются магнитным полем в противоположные стороны, что приводит к возникновению в образце разности потенциалов. Описанное явление носит название фотомагнитного эффекта.
В люминесцентных приемниках излучения происходит преобразование излучения одного спектрального состава в излучение другого спектрального состава. Типичным представителем этого типа приемников является метаскоп — светосостав, высвечивающийся под действием ИК-излучения за счет накопленной им световой энергии при предварительном облучении ультрафиолетом, синим излучением неба или радиоактивным веществом.
В фотохимических приемниках энергия излучения вызывает всевозможные химические превращения. В фотопластинке, например, происходит фотохимическая реакция разложения галоидных солей серебра, причем металлическое серебро выделяется, образуя скрытое изображение источника излучения. В глазу, человека под действием света в светочувствительных элементах сетчатки происходит фотохимический процесс, при котором продукты разложения вызывают раздражение зрительного нерва и световое ощущение.
В зависимости от характера изменения чувствительности приемника при изменении длины волны падающего излучения приемники излучения можно разделить на две большие группы: неселективные, чувствительность которых остается постоянной в определенном достаточно широком участке спектра; селективные, чувствительность которых зависит от длины волны падающего излучения.
К неселективным приемникам, в частности, относится большинство тепловых приемников излучения, у которых обеспечивается постоянство коэффициента поглощения приемной площадки при изменении длины волны за счет чернения — покрытия копотью, испарения металлов в вакууме и т. д.
Приемники излучения можно относить к одной из пяти больших групп для областей спектра: ультрафиолетовой (1—380 нм); видимой (380—780 нм); ближней ИК-области (780—1400 нм); средней ИК-об-ласти (1,4—6,0 мкм); далекой ЙК-области (6,0—1000 мкм).
К первой группе относятся фотоэмульсии, некоторые фотоэмиссионные приемники, тепловые приемники и фоторезисторы.
Ко второй группе — фотоэмиссионные приемники, главным образом с сурьмяно-цезиевым фотокатодом, фотоэмульсии, селеновые фотогальванические приемники, фоторезисторы из сернистого и селенистого кадмия и сернистого висмута, кремниевые фотогальванические приемники (солнечные батареи) и тепловые приемники.
К третьей группе — фотоэмиссионные приемники с кислородно-цезиевым фотокатодом, сенсибилизированные фотоэмульсии, серни-.сто-таллиевые фоторезисторы и фотогальванические приемники (тал-лофиды), меднозакисные и сернисто-серебряные фотогальванические приемники, тепловые приемники, некоторые, фосфоры, сернисто-свинцовые фоторезисторы, германиевые и кремниевые фотодиоды и фототриоды.
К четвертой группе — сернисто-свинцовые, теллуристо-свинцовые и селенисто-свинцовые фоторезисторы, фоторезисторы, фотодиоды и фотомагнитные приемники из сурьмянистого индия, фоторезисторы из германия, легированного золотом, и тепловые приемники.
К пятой группе — тепловые приемники излучения, фоторезисторы из германия, легированного цинком или ртутью, фоторезисторы на основе тройных соединений, например кадмия—ртути—теллура.
Классификация приемников излучения по тем областям спектра, где они наиболее чувствительны и находят наибольшее применение, является достаточно условной, так как многие приемники используются в различных участках спектра. В ряде случаев такая классификация представляется оправданной, удобной и не исключает определения некоторых приемников как двух- и многодиапазонных, если это необходимо.
В принципе возможны любые температуры чувствительного слоя приемника, однако наиболее часто для неохлаждаемых приемников указываются значения «комнатной» температуры 293 К или 300 К, а для приемников охлаждаемых называются точки кипения различных веществ, используемых для охлаждения: 194,7 К—твердой углекислоты или сухого льда; 77,4 К — жидкого азота; 27,3 К — жидкого неона; 20,5 К — жидкого водорода; 4,3 К — жидкого гелия. В последних трех случаях, когда температура ниже 30 К, приемники называют глубокоохлаждаемыми.
При комнатной температуре работает большинство тепловых приемников излучения, фотоэмиссионные приемники, фотопластинки, фосфоры, сернисто-свинцовые фоторезисторы фоторезисторы из сурьмянистого индия и некоторые другие приемники. При температуре сухого льда — фоторезисторы из сернистого свинца, а также некоторые тепловые приемники (термоэлементы и болометры). При температуре жидкого азота — фоторезисторы из сернистого, селенистого и теллуристого свинца, сурьмянистого индия, германия, легированного золотом, фотогальванические и фотомагнитные приемники из сурьмянистого индия, фоторезисторы на основе тройных соединений, тепловые приемники. При сверхнизких температурах — фоторезисторы из германия, легированного ртутью или цинком, а также тепловые приемники — сверхпроводящие и германиевые болометры.
Классификация приемников излучения поразличным признакам представлена на рис. 5.
4. Усилитель и другие элементы электронного тракта
Сигнал, вырабатываемый приемником излучения, обычно невелик: он составляет несколько единиц или десятков микровольт. Для того чтобы извлечь из него и использовать информацию, необходимо усилить сигнал. В качестве усилителей сигнала большей частью используются различного рода усилители переменного тока, так как сигнал в оптико-электронном приборе обычно модулируется механическими, оптическими или электронными средствами. В зависимости от схемы и задач, решаемых конкретным оптико-электронным прибором, форма модулированного сигнала, поступающего на вход усилителя, может быть различной. Иногда это периодический сигнал, форма которого близка к синусоидальной, однако часто встречаются и непериодические последовательности импульсов различной формы. Выходной сигнал приемника излучения обычно поступает на вход усилителя не непосредственно, а через согласующую схему, называемую входной цепью, Выбор элементов входной цепи является достаточно важной задачей, решать которую приходится самому разработчику оптико-электронного прибора,, в то время как усилитель сигнала может быть в большинстве случаев выбран им из готовых или по его техническому заданию разработан специалистом в области радиоэлектроники. Основные требования, предъявляемые к усилителю, относятся к следующим его параметрам и характеристикам: коэффициенту усиления, динамическому диапазону, полосе пропускания и уровню собственного шума. Кроме того, иногда оговаривается форма частотной и фазовой характеристики усилителя, его габариты, вес и потребляемая мощность.
Обычно усилитель сигнала конструктивно разделяется на- две части, одна из которых (предусилитель) монтируется в непосредственной близости от приемника излучения и служит для предварительного усиления сигнала до уровня, достаточного для последующей передачи сигнала по длинному кабелю в условиях действия окружающих нестационарных электрических и магнитных полей, а другая (главный усилитель) содержит необходимые элементы регулировки усиления, полосы пропускания и других параметров. Коэффициент усиления предусилителя обычно находится в пределах 10—103, а общий коэффициент усиления может достигать 106.
На выходе приемника излучения существует сигнал, несущий информацию об объекте наблюдения, и шум. Для выделения и обработки полезного сигнала из смеси сигнала и шума в усилителе и в электрических цепях, следующих за усилителем, содержатся линейные и нелинейные элементы — устройства формирования и декодирования, схемы совпадения, обратные связи и т. д., осуществляющие необходимые логические операции. В простейшем случае операция выделения сигнала из шума заключается в частотном анализе смеси сигнала и шума с помощью узкополосных электрических фильтров, а операция обработки сигнала — в его детектировании. Однако обычно требуются более сложные решения.
Для регистрации обработанного сигнала применяются различные визуальные, звуковые, фотографические, осциллографические индикаторы и автоматические системы.
Таким образом, обобщенная схема электрической части тракта оптико-электронного прибора может быть представлена в виде, изображенном на рис. 6. В каждом конкретном случае структурная схема электрической части оптико-электронного прибора может отличаться от обобщенной схемы, а функции ее отдельных элементов могут быть совмещены и видоизменены.
ЛИТЕРАТУРА
1. Степанов Б.И. Введение в современную оптику. - Мн.: Наука и техника, 2004 - 359 с.
2. Порфирьев Л.Ф. Теория оптико-электронных приборов и систем.— Спб.: Машиностроение, 2000 -- 272 с.
3. Москалев В.А. Теоретические основы оптико-физических исследований.— Спб.: Машиностроение, 2007 -- 318 с.
Похожие работы
... ). Перспективы развития микроэлектроники Функциональная микроэлектроника. Оптоэлектроника, акустоэлектроника, магнетоэлектроника, биоэлектроника и др. Содержание лекций 1 Цели и задачи курса “Электронные, квантовые приборы и микроэлектроника”. Физика полупроводников. p-n- переходы. Полупроводниковые диоды. Разновидности и характеристики. 2 Транзисторы. Принцип действия, разновидности и ...
... открывании кожухов; экраны рекомендуется использовать для защиты от направленных звуковых волн, излучаемых ультразвуковой установкой. Экраны целесообразно использовать в больших рабочих помещениях. Конструкция цифрового измерителя амплитуды УЗ-вибраций построена таким образом, что для проведения измерений амплитуды вибраций поверхности, необходим контакт последней с пьезоэлектрическим щупом, ...
... и графиком работы корпусообрабатывающего цеха; условия труда должны предусматривать охрану здоровья и работоспособности людей. Основные организационные и технологические мероприятия определяют состав и специализацию участков механизированных линий сборочно-сварочного цеха. Технологические линии организуются в соответствии с классификацией узлов и секций по технологическим группам, а также ...
... -криминалистические - используются в области технико-криминалистических научных исследований: фотографических, трасологических, одорологических, баллистических и др. - структурно-криминалистические - методы построения в криминалистике определенных структурных систем (например, плана расследования по уголовному делу, тактического приема, методической рекомендации) По источнику происхождения ...
0 комментариев