Охлаждаемые детекторы

Для работы с объектами, испускающими фотоны малых (< 2эВ) энергий т.е. более длин­ных волн, требуются полупроводниковые устройства, обладающие более узкой зоной запре­щенных энергий. Однако даже в квантовых детекторах с достаточно небольшой зоной запре­щенных энер­гий при комнатной температуре собственные внутренние шумы намного пре­вышают полезный сигнал. Другими словами, детектор в этом случае будет из­мерять собствен­ное тепловое излучение. Уровень шума зависит от температу­ры, поэтому при детектировании фотонов с низкой энергией отношение сиг­нал/шум может стать таким маленьким, что о точности измерений говорить не приходится. По этой причине при работе в среднем и дальнем ИК спект­ральном диапазоне детектор не только должен обладать узкой зоной запре­щенных энергий, но его необходимо охлаждать до температуры, при которой внутренние шумы уменьшаются до приемлемого уровня.

Принцип действия охлаждае­мых детекторов почти такой же как, и у фоторезисторов, за исключением того, что они определяют излучение больших длин волн и работают при значи­тель­но более низких температурах. Поэтому конструкции охлаждаемых детекто­ров и фоторе­зисторов сильно отличаются друг от друга. Охлаждение смещает частотные характеристики в сторону больших длин волн и улучшает чувствительность детектора. Однако быстродействие де­текторов при охлаждении несколько снижается. В детекторах для понижения тем­пературы могут применяться разные методы: охлаждение сухим льдом, жидким азотом или сжиженным гелием, а также термоэлектрическое охлаж­дение, основанное на эффекте Пельтье.

Тепловые детекторы

Тепловые ИК детекторы первоначально использовались для определения ИК из­лучений среднего и дальнего ИК диапазонов и для проведения бесконтактных температурных измере­ний, которые в течение последних 60 лет стали называться пирометрическими. Это название произошло от греческого слова риг, обозначаю­щего огонь. Соответствующие термометры по­лучили название пирометров. В на­стоящее время бесконтактные методы измерения темпера­туры используются очень широко: от определения минусовых температур до детектирования температуры различных пламен. Поэтому такие методы получили название радиационной тер­мометрии.

Типовые ИК бесконтактные датчики температуры состоят из следующих частей:

1. Чувствительного элемента, реагирующего на электромагнитные излуче­ния ИК диапа­зона. Основными требованиями, предъявляемыми к нему, являют­ся: быстродействие, воспро­изводимость, высокая чувствительность и хорошая долговременная стабильность.

2. Опорной конструкции, поддерживающей чувствительный элемент и обес­печивающей доступ к нему излучения. Конструкция должна обладать низкой теп­лопроводностью для снижения тепловых потерь.

3. Корпуса, защищающего чувствительный элемент от воздействия окружа­ющей среды. Корпус должен быть герметичным. Его часто заполняют сухим воз­духом или инертным газом (аргоном или азотом).

4. Защитного окошка, прозрачного для излучения исследуемого диапазона длин волн. На поверхность окна часто наносят специальное покрытие с целью улучшения его пропускающей способности для волн определенной длины и филь­трации излучений нежелательного диапазона спектра.

В областях, лежащих ниже среднего ИК диапазона спектра, чувствитель­ность тепловых детекторов гораздо ниже, чем у квантовых датчиков. Их прин­цип действия основан на превра­щении теплового излучения в тепло с последу­ющим преобразованием уровня тепла или теплового потока в электрический сигнал, для чего применяются традиционные методы тепловых измерений. Для детектирования теплового излучения подходит практически любой датчик тем­пературы.

Все тепловые детекторы излучений можно разделить на два класса: пассив­ные ИК (ПИК) и активные ИК (АИК) детекторы. Пассивные датчики поглоща­ют входящее излучение и превращают его в тепло, в то время как активные детек­торы вырабатывают тепло при помощи специальных схем возбуждения.

Ячейки Голея

Ячейки Голея являются широкополос­ными детекторами ИК излучений. Они обладают очень высокой чувствитель­ностью, но также довольно хрупкой конструкцией. Принцип действия яче­ек Голея основан на детектировании теплового расширения газа, заключен­ного в замкнутом объеме. Поэтому та­кие датчики иногда называются термо­пневматическими детекто­рами. На рис. 8 показана схема детектора излуче­ний среднего и дальнего ИК диапазонов, реализованного на базе ячейки Го­лея, состоящей из замкнутой камеры с двумя мембранами: верхней и нижней. На верхнюю мембрану наносится слой, поглощающий тепло, а поверхность нижней мембраны делается зеркальной.

Источник света направлен на зеркаль­ную поверхность. Падающий луч света отражается от поверхности и попадает на де­тектор положения. На верхнюю мем­брану действует исследуемое ИК излучение, поглощаемое ее покрытием. Погло­щенное тепло приводит к повышению температуры мембраны, которая, в свою очередь, нагре­вает газ, заключенный в камере. Газ расши­ряется и его давление увеличивается. Увеличение давления приводит к деформа­ции нижней мембраны. Изменение кривизны зеркальной поверхности мембраны ока­зывает влияние на направление отраженного луча света, который теперь попада­ет на другое место чувствительной зоны датчика положения. Величина отклоне­ния положения отраженного луча зависит от степени деформации мембраны и, следовательно, от интенсивности поглощен­ного излучения. Такие датчики могут изготавливаться по технологии производства микросис­тем.