ПОИСК Статьи Рисунки Таблицы Приемники излучения и оптика приемников из "Прикладная инфракрасная спектроскопия" В предыдущих разделах отдельные части спектрометра рассматривались в той же последовательности, в какой свет проходит через них в приборе. Проследив эту последовательность до выходной щели прибора, предположим теперь, что из нее выходит узкий спектральный участок длин волн светового излучения, который должен быть воспринят приемником. [c.23] Фотоприемники . Выбор приемника излучения определяется рядом соображений, в числе которых на первом месте стоит диапазон волн, подлежащих исследованию. Длина волны детектируемого излучения существенна, поскольку величина эффекта, производимого фотоном на приемник, определяется его энергией Е, которая, согласно теории Планка, равна ку, где V — частота излучения, связанная с длиной волны соотношением v = Д. Для длинноволнового инфракрасного излучения энергия фотонов очень мала (примерно 0,03 эв при 40 мк), так что их действие при комнатной температуре маскируется тепловыми эффектами в материале приемника. Поэтому для регистрации излучения в этой области приемники необходимо охлаждать. Фотопроводящие приемники на основе германия, легированного примесями, удается сделать чувствительными вплоть до 130 мк (77 где энергия фотонов составляет около 0,01 эв. Они должны работать при охлаждении жидким гелием и поэтому считаются экономически невыгодными. Правда, в последнее время достигнуты значительные успехи в разработке замкнутых систем гелиевых ожижителей, и это дает основание предполагать, что в будущем приемники с гелиевым охлаждением станут обычными при комплектации лучших ИК-спектрометров. Сказанное относится не только к фотопроводящим приемникам характеристики многих тепловых приемников могут быть также значительно улучшены при охлаждении. [c.23] К высокочувствительному измерению очень небольших изменений температуры. Обычно используются три типа тепловых приемников радиационная термопара, болометр и пневматический приемник. Поскольку в современных спектрометрах излучение прерывается с частотой обычно 6—30 гц, то приемники излучения должны обладать небольшой постоянной времени, чтобы обеспечить достаточно высокую чувствительность при этих частотах модуляции. Для тепловых приемников это требование означает, что вся масса приемника (т. е. поглощающая среда и термочувствительный элемент) должна нагреваться и остывать за половину периода модуляции. [c.24] В этой главе нет необходимости останавливаться на деталях теории тепловых приемников. Они обсуждаются в специальной литературе [2, 9, 10, 15, 30, 35, 63, 64, 88]. В дальнейшем рассмотрение будет ограничено принципиальными основами, знание которых необходимо тем, кто применяет спектрометры в своей работе. [c.24] Поскольку этот приемник используется в приборах с модулированным излучением, то целесообразно рассмотреть природу его постоянной времени. Для этого можно дальше развить упомянутую выше аналогию, заменяя теплоемкость приемной площадки и проводников электрической емкостью, тогда время установления теплового равновесия будет пропорционально произведению теплоемкости на термический импеданс. Величина сигнала, получаемого в спектрометрах среднего разрещения с термопарами в качестве приемников составляет 0,1—2,0 мкв при сопротивлении около 10 ом. С появлением малоинерционных термопар гальванометры и усилители с прерыванием тока совсем перестали использоваться для измерительных целей. Модуляция входного сигнала, осуществляемая путем модуляции светового потока, позволяет использовать трансформаторную связь между приемником и усилителем, что в свою очередь дает возможность повысить входное сопротивление электронного усилителя. В хороших приемно-усилительных системах удается достичь предельного отношения сигнала к шуму, определяемого джонсоновским шумом сопротивления термопары при комнатной температуре [37]. [c.25] Р Ръ 20. Напряжение питания болометра выбирается тогда таким, чтобы обеспечить оптимальный ток питания в последовательно включенных сопротивлениях и Нь (т. е. + Поскольку включено последовательно с Яъ а с первичной обмоткой трансформатора, то оно тоже служит источником дополнительного джонсоновского шума в цепи сигнала, поэтому желательно его сделать меньше Яь. Вблизи оптимума их отношение должно быть порядка 10—20. Сопротивление Яз подбирается из условия баланса мостика. Для того чтобы избежать токовых шумов в этой схеме, необходимо применять проволочные сопротивления, соединяя их надежной пайкой в качестве высокостабильного источника питания следует использовать батарею. [c.27] В цепи В сопротивление / 1 выбирается из тех же соображений, что и в мостиковой схеме. Емкость С должна быть выбрана так, чтобы обеспечить низкий импеданс по сравнению с болометром и первичной обмоткой трансформатора для низких частот, на которых происходит модуляция. Величина емкости оказывается порядка 1000 мкф для металлических болометров. Электролитические конденсаторы обычно не используются для этих целей, так как они часто оказываются источником дополнительного шума. Для болометров с низким импедансом лучше использовать мостиковую схему А, чтобы избежать применения громоздкой емкости (обычно с бумажной изоляцией, пропитанной маслом). [c.27] Болометры из термисторных материалов (смесь окислов никеля, марганца и кобальта) описаны в работах [68] и [8]. Этот материал обладает большим отрицательным температурным коэффициентом сопротивления и малой проводимостью. Чувствительный элемент таких болометров имеет толщину около 10 мк и поддерживается стеклянной или кварцевой подложкой, так как материал элемента очень хрупок. Контакт с подложкой увеличивает скорость отвода тепла от чувствительного элемента, что уменьшает постоянную времени приемника за счет некоторого снижения его чувствительности. [c.27] Высокий температурный коэффициент сопротивления частично компенсирует относительно высокую теплопроводность. В результате этот приемник оказывается почти эквивалентным металлическому болометру. [c.27] Некоторая потеря чувствительности приемника всегда имеет место, если заданное количество радиации распределено на большой площади приемной площадки. Болометр позволяет частично скомпенсировать эту потерю, что достигается подбором оптимального напряжения питания. Поэтому он часто используется в качестве приемника излучения в больших спектрометрах. [c.28] Некоторые исследователи сумели получить заметный выигрыш в чувствительности, особенно в случае болометров, охлаждением приемника излучения. Однако пока не существует ни одной общедоступной системы такого рода. Иногда используют необычно большой температурный коэффициент сопротивления определенных материалов в точке перехода в сверхпроводящее состояние. Хотя с помощью таких приемников и были проведены некоторые измерения, требующие высокой чувствительности, но трудности стабилизации температуры в узком интервале перехода столь велики, что вряд ли можно рассчитывать на широкое распространение приемников этого типа. [c.28] Приемники с гелиевым охлаждением обладают наилучшими характеристиками, если в них используются охлаждаемые диафрагмы и фильтры, которые уменьшают количество фоновой радиации, попадающей на приемник от предметов, находящихся при комнатной температуре. Холодная рабочая поверхность приемника должна быть тщательно изолирована. В этом случае, если фоновая радиация в пределах широкого телесного угла и попадает на приемник, то температура поднимается только у частей приемника, лежащих за пределами чувствительной площадки. Теоретически отношение сигнала к шуму у болометров с гелиевым охлаждением выше, чем у обычных неохлаждаемых тепловых приемников, примерно в 100 раз. Иногда это преимущество удается реализовать и на практике. Однако, принимая во вни.мание высокую стоимость таких приемников и трудности их эксплуатации, оказывается разумнее ограничиться меньшим выигрышем в чувствительности, найдя компромиссный вариант. Так, например, никелевый болометр был опробован в работе при охлаждении жидким азотом. Мальнев и Кременчугский [42] сообщали о выигрыше в чувствительности в 15—20 раз после охлаждения жидким азотом. Это сравнение было сделано, по-видимому, с неэвакуированным болометром при комнатной температуре. Откачка болометра дала бы улучшение его характеристик в 4—5 раз, так что в этом случае охлаждение увеличивает чувствительность только примерно в 4 раза. Это улучшение характеристик болометра тоже было бы существенным фактором для повышения качества спектрометров оно было бы оправдано и экономически, так как стоимость жидкого азота невелика. [c.29] Для сканирующих спектрометров Голей [22] предложил конструкцию пневматического приемника, который имеет одинаковую поглощательную способность для излучения в щирокой области длин волн — от ультрафиолетовой до микроволновой. [c.30] ТО концы щели находятся вне оси эллипсоида. Это приводит к появлению аберрации, называемой комой, которая проявляется в том, что концы изображения щели размываются. Величина этого эффекта тем больше, чем большее уменьщение изображения используется. Реальное уменьшение должно быть компромиссом между размером аберрации и потерями на отражение от приемной площадки и окна приемника. [c.33] Кроме того, величина уменьшения зависит еще и от угла расходимости пучка за выходной щелью, или, что то же самое, от относительного отверстия спектрометра. [c.33] Для монохроматора с относительным отверстием 1 4 из этого расчета получается максимальное уменьшение 8 1. [c.33] Иногда плоское окно приемника заменяют выпуклой сферической линзой, что позволяет получить дополнительное уменьшение изображения выходной щели. [c.33] Вернуться к основной статье