Навигация
1.1.1 Тепловой метод
Сущность метода состоит в том, что энергия излучения при взаимодействии с веществом ПИП превращается в тепловую энергию, которая впоследствии измеряется.
Для измерения тепловой энергии, выделяющейся в ПИП, обычно используют:
-термоэлектрический эффект Зеебека (возникновение тепловой ЭДС между нагретыми и холодными спаяными проводниками из двух разных металлов или проводников );
-боллометрический эффект (явлении изменения сопротивления металла или полупроводника при изменении температуры);
-фазовые переходы "твердое тело-жидкость" (лед-вода);
-эффект линейного или обьемного расширения веществ при нагревании ;
Необходимо отметить, что все тепловые ПИП в принципе являются калориметрами .
К достоинствам калориферов относятся :
-широкий спектральный и динамический диапазон работы;
-высокая линейность ,точность ,стабильность характеристик;
-простота конструкции ;
Тепловой поток : Ф=Gt (Tk -To ), где Gt - тепловая проводимость; Rt/1=1/Gt - тепловое сопротивление.
Уравнение теплового равновесия имеет вид: dT(t) T(t)
P(t)=C*----- + ---- , где P(t) - мощность, рассеиваемая в dT Rt
калориметре; C - теплоемкость;
T=Tk-To
Если в ПИП чувствительным элементом является термометрическое сопротивление, которое непосредственно воспринимает оптическое излучение и в нем присутствует приемный элемент, то такой ПИП называется болометром.
Принцип работы пироэлектрических ПИП основан на использовании пироэлектрического эффекта, наблюдаемого у ряда нецентросимметричных кристаллов при их облучении и проявляющегося в возникновении зарядов на гранях кристалла перпендикулярных особенной полярной оси. Если изготовить небольшой конденсатор и между его обкладками поместить пироэлектрик, то изменения температуры, обусловленное поглощением излучения, будут проявляться в виде изменения заряда этого конденсатора и могут быть зарегестрированы.
Выходной сигнал пироэлектрических ПИП пропорционален скорости изменения среднего прироста температуры (d T/dt) чувствительного элемента. Следствием этого является высокое быстродействие пироприемников (до 1E- c), а также их чувствительность, большой динамический диапазон; широкий спектральный диапазон (0.4..10.6 мкм). Конструктивно чувствительный элемент пироприемника не отличается от калометрических ПИП, за исключение самого чувствительного элемента, выполненного из пироэлектрика.
В промышленности наибольшее распространение получили приемники на основе титана бария, на основе керамики цирконат - титанат бария.
1.1.2 Фотоэлектрический метод
Основан на переходе носителей заряда под действием фотонов измеряемого излучения на более высокие энергетические уровни.
В качестве ПИП используют фотоприемники (ФП), которые делятся на 2-е группы : с внешним и внутренним фотоэффектом. Внешний заключается в выбивании фотоном электрона из металла, находящегося в вакууме, внутренний - в переходе электронов из связывающего состояния под действием фотонов в свободное т.е. в возбужденное состояние внутри материалов. В обоих случаях переход происходит при поглощении веществом отдельных квантов излучения, поэтому ФП являются квантовыми преобразователями. Выходной электрический сигнал ФП зависит не от мощности падающего излучения, а от количества квантов излучения и энергии каждого кванта.
Общее выражение преобразования входного оптического сигнала в выходной электрический сигнал :
I-Iфп+Iт=S P+Iт
Где I - полный ток, протекающий через фотоприемник [A] Iфп - ток через фотоприемник, вызванный падающим по-
током излучения [A]
Iт - темновой ток [A]
S - абсолютная спектральная чувствительность [A/Вт] P - мощность падающего на ФП излучения [Вт]
Фотоприемники с внешним фотоэффектом
Энергия фото ЭДС, испущенных с поверхности катода под действием Э/М излучения :
W=hv-w
где w - постоянная, зависящая от природы материала фотокатода.
Испускание e происходит лишь при hv > w = hv , где v - пороговая частота, наже которой фотоэффект невозможен.
Длину волны &=C/v называют границей фотоэффекта.
К ФП на основе внешнего фотоэффекта относятся вакуумные приборы : фотоэлементы (ФЭ) и фотоумножители (ФЭУ).
S&=Qэф*&/1.24, где Qэф - эффективный квантовый выход. Шумы и шумовые токи ФЭ сравнительно невелики, однако
из-за низкой чувствительности ФЭ нецелесообразно применять их для измерения малых уровней сигналов.
ФЭУ обладают высокой чувствительностью благодаря наличию умножительной (динодной) системы.
m
Коэффициент усиления ФЭУ : M=П ,
i=1
Где - коэффициент вторичной эмиссии i-го динода
- коэффициент сбора электронов m - число каскадов усиления.
S = S * M , где S - абсолютная спектральная чувствительность фотокатода.
Чувствительность ФЭУ может достигать ~1E А/Вт в max спектральной характеристике.
Фотопреобразователи на основе внутреннего фотоэффекта
К ним относятся фоторезисторы, фотодиоды, фототранзисторы. Действие ФР основано на явлении фотопроводимости, заклю-
чающееся в возникновении свободных носителей заряда в некоторых п/п и диэлектриках при падении на них оптического излучения. Фотопроводимость приводит к уменьшению электрического сопротивления, и соответственно, к увеличению тока, протекающего через ф/р.
U &
S = e*V*Q --- * ----
e 1.24
где e - заряд электрона
V - объем освещенной части п/п
Q - квантовый выход внутреннего фотоэффекта
- подвижность носителей
U - напряжение, приложенное к ФР
Действие кремниевых и германиевых ФД: возникновение под действием излучения неосновных носителей, которые диффундируют через p-n переход и ослабляют электрическое поле последнего, что приводит к изменению электричекого тока в цепи. Фототок зависит от интенсивности падающего излучения. Для измерения энергетических параметров лазерного излучения обычно используют фотодиодный режим (с питанием).
S =т* *Q*&(1-p)/1.24 где т - коэффициент пропускания окна прибора; - коэффициент собирания носителей; Q - квантовый выход; & - длина волны излучения; p - коэффициент отражения.
Темновые токи у кремниевых фотодиодов примерно на порядок ниже, чем у германиевых и достигают 1E-5 .. 1E-7 A.
Для измерения относительно больших уровней мощности и энергии целесообразно применять ПИП с невысокой чувствительностью, т.е. ФЭ. Для измерения средних уровней энергетических параметров лазерного излучения можно применять как вакуумные приборы так и п/п.
Фотодиоды уступают по чувствительности ФЭУ, однако ФД обладают низким уровнем шума.
Преимущества ФД по сравнению с ФЭУ:
- небольшие габариты
- низковольтное питание
- высокая надежность
- механическая прочность
- более высокая стабильность чувствительности
- низкий уровень шумов
Недостатки :
- меньшее быстродействие
- сильное влияние температуры на параметры и характеристики прибора.
Похожие работы
... , форменных элементов (эритроциты, лейкоциты, тромбоциты и др.) существенно повышают восприимчивость и чувствительность жидких сред организма к внешнему воздействию различных физических факторов, в том числе низкоэнергетического лазерного излучения. В биологических жидкостях имеются специфические фотоакцепторы, реагирующие на лазерное излучение определенной длины волны. Кроме того, энергетической ...
... потенциал ионизации. 4.3 Методика экспериментальных исследований Основной целью проведенных экспериментов было исследование влияния лазерного излучения на электропроводность диэлектрических жидкостей и изучение практической возможности реализации электроэрозионных явлений в диэлектрической среде. Эксперименты проводятся для исследования влияния следующих параметров: · ...
... определяли с помощью набора реактивов «HNP1-3» (HyCult biotechnology», Нидерланды) с использованием метода основанного на двухсайтовом твёрдофазном ИФА. Исследование влияния лазерного излучения на функции нейтрофилов и факторы мукозального иммунитета репродуктивного тракта in vivo За период с 2005 по 2008 год нами проведено открытое, краткосрочное, простое, "слепое" рандомизированное ...
... перемещения луча приведено на рис. 1.5. Наблюдаемые различия в структуре и твёрдости слоёв зоны в стали 35, обрабатываемой непрерывным излучением лазера на СО2, объясняют различными условиями их нагрева и охлаждения. 1.6. Упрочнение кулачка главного вала В течение последних трёх – пяти лет появились мощные газовые лазеры, обеспечивающие в режиме непрерывной генерации мощность порядка ...
0 комментариев