Скачать презентацию Боло метр др -греч βολή луч и
21_Тепловые-Болометр-Акустические.ppt
- Количество слайдов: 34
Скачать презентацию Боло метр др -греч βολή луч и
Скачать презентацию Боло метр др -греч βολή луч и
Боло метр (др. -греч. βολή — луч и μέτρον — мера) — тепловой приемник излучения, чаще всего оптического (а именно — ИК-диапазона). Был изобретён Самуэлем Пирпонтом Лэнгли в 1878 году. Основной компонент болометра — очень тонкая пластинка (например, из платины или другого проводящего материала), зачернённая для лучшего поглощения излучения. Из-за своей малой толщины пластинка под действием излучения быстро нагревается и её сопротивление повышается. Для измерения малых отклонений сопротивления пластинки её включают в мостовую схему, которую балансируют при отсутствии засветки. Металлические болометры часто подсоединяют через трансформаторный вход, так как у них очень малое собственное сопротивление. Первый полупроводниковый болометр был создан компанией Bell в годы Второй мировой войны. Отличался простотой, надежностью и высокой чувствительностью. Был использован в ИК-спектроскопии и теплопеленгации. Первые терморезистивные болометры успешно работали на искусственных спутниках Земли, но позже были вытеснены пироэлектрическими приемниками. В качестве материалов для металлических болометров используют платину, никель, золото, для полупроводниковых — сплавы окислов никеля, кобальта, марганца.
Болометр для измерения ИК-излучения. Чувствительный элемент 6 удерживается проволоками 5, припаянными к пластинам 4 на коваровых штырях 3. Последние изолированы стеклом 2 от медного кольца 1, имеющего температуру базы
Полупроводниковый болометр состоит из двух плёночных (толщиной до 10 мкм) термисторов. Один из термисторов, непосредственно подвергающийся облучению, является активным. Второй — компенсационный. Он экранирован от внешнего излучения и предназначен для компенсации изменений температуры окружающей среды. Оба термистора помещаются в общий герметичный корпус. Основные параметры болометров: сопротивление активного термистора при номинальной температуре; рабочее напряжение; чувствительность при определённой частоте модуляции светового потока; порог чувствительности; постоянная времени; уровень собственных шумов — у металлических преобладает тепловой шум, а полупроводниковых — токовый. Болометр чувствителен ко всему спектру излучения. Но применяют его в основном в астрономии для регистрации излучения с субмиллиметровой длиной волны (промежуточное между СВЧ и инфракрасным): для этого диапазона болометр — самый чувствительный датчик. Источником теплового излучения может быть свет звёзд или Солнца, прошедший через спектрометр и разложенный на тысячи спектральных линий, энергия в каждой из которых очень мала. Полупроводниковые болометры применяются, например, в системах ориентации, для дистанционного измерения температуры объектов.
Одна из лучших команд по разработке болометров работает в Бонне, Институт радиоастрономии им. Макса Планка. Здесь болометрическая группа создала для телескопа APEX прибор LABOCA (Large Apex Bolometer Camera). Он представляет собой расстановку (решетку, по-англ. Array) из 295 независимых приемников, регистрирующих падающее на них излучение с помощью болометров. LABOCA поступит на APEX зимой (в конце) 2005 года. Болометры отличаются очень широкими полосами частот. Для субмиллиметров они представляют собой самый чувствительный тип приемника. Вход такого приемника образует небольшая рупорная антенна, которая собирает излучение и концентрирует его на находящемся под ней чувствительном болометрическом элементе. Последний состоит из поглощающей пленки (абсорбера), которая при попадании на нее излучения нагревается на малые доли градуса (см. схему на рис. 6). Рис. 6. Принцип работы болометрического элемента.
Абсорбер фотонов слабым термопроводником связан с теплоотводом ("Heat sink"), криостатированном при температуре 0. 3 К. Если фотоны попадают на абсорбер, он чуть-чуть нагревается по сравнению с теплоотводом, эта разность температур пропорциональна мощности излучения. Термистор преобразует изменение температуры в изменение электрического сопротивления, которое и считывается электроникой. Нагревание абсорбера по сравнению с теплоотводом, находящимся при постоянной температуре (англ. Heat sink), измеряется электронным способом с помощью термистора, затем усиливается как выходной сигнал. У некоторых конструкций болометров понятия "абсорбер" и "термометр" идентичны. В решетке LABOCA они разделены друг от друга, речь идет о так называемом композитном болометре. Эта конструкция имеет то преимущество, что абсорбер и термистор можно оптимизировать независимо. В качестве термисторов в этой решетке применены специальные полупроводниковые термисторы. Чтобы в принципе измерить такие маленькие изменения температуры, болометры нужно охлаждать до температуры 0. 3 К (-273. 45 о. С). Тем самым достигается чувствительность, которая лежит на уровне шума фотонов, обусловленного квантовой природой света. Абсорберы фотонов LABOCA состоят из титанового слоя, нанесенного на мембрану из тонкого (1 микрон) нитрида кремния. Мембрана служит в качестве подложки для абсорберов и одновременно в качестве слабопроводящего теплоотвода. Все структурные элементы - мембраны, абсорберы, подводы и т. д. выполнены микролитографическим способом на тонких кремниевых дисках, так называемых "вафлях". Соответственно размерам рупорных антенн и полосам подключенных фильтров LABOCA оптимизирована для наблюдений на волне 0. 87 мм (рис. 7).
Болометр полупроводниковый, характеризующийся: - наличием корпуса, имеющего форму цилиндра; - наличием на одном из торцов цилиндрического корпуса сферической поверхности иммерсионной линзы; - наличием на другом торце цилиндрического корпуса контактного узла, имеющего выводы; отличающийся: - выполнением сферической поверхности линзы занимающей всю торцевую поверхность цилиндрического корпуса; - наличием в контактном узле гибких выводов; - выполнением контактного узла в виде гибкой монолитной конструкции, которая охватывает торцевую поверхность корпуса в виде колпачка и плавно переходит в трубку, из которой выходят выводы.
James Clerk Maxwell Telescope Телескоп Джеймса Клерка Максвелла - Телескоп субмиллиметровых волн. -15 –метровый используется уникальный болометр SCUBA, the Submillimetre Common-User Bolometer Array.
Длинноволновый массив камеры SCUBA, состоящий из 37 болометрических приемников, на которые проецируется область неба диаметром 2. 3 угловых минуты. Три дополнительных конических раструба по краям - однопискельные фотометры для более длинноволновых окон прозрачности неба (1. 1, 1. 35 и 2 мкм).
повтор: Тепловые приёмники оптического излучения реагируют на энергию, поглощённую чувствительным приёмным элементом. Поглощённая энергия приводит к нагреванию чувствительного элемента и повышению его температуры, которая может быть измерена непосредственно. Возможна регистрация и вызванных нагревом изменений каких-либо других физических параметров вещества этого чувствительного элемента, например, электропроводности, давления газа и т. п. Современные тепловые приёмники позволяют обнаруживать повышение температуры термочувствительного элемента при его облучении и измерять мощности Вт. Такое изменение температуры нельзя измерить непосредственно, применяют различные косвенные методы. По принципу такого преобразования тепловые приёмники разделяются на несколько типов. Термоэлементы (термопары) – приемники оптического излучения, основанные на термоэлектрическом эффекте (Зеебека эффекте) - возникновении эдс в контуре из различных материалов, спаи которых имеют неодинаковую температуру. На один из спаев контура направляется измеряемое излучение, что приводит к повышению температуры этого спая по сравнению с температурой другого (холодного) спая.
Возникающая при этом эдс служит мерой измеряемого потока излучения. Металлические термоэлементы изготовляют из Ci, Ni, Pt, константана и др. ; в полупроводниковых элементах применяют Sb, Si, Те и др. Для увеличения первоначального электрического сигнала вместо одного термоэлемента используют систему последовательно включённых термоэлементов. Такие системы наз. термостолбиками. Результирующая эдс термостолбика равна сумме эдс входящих в него термоэлементов. Для уменьшения уровня помех термоэлементы (термостолбики) помещают в вакуум, окружают охлаждаемыми экранами, применяют компенсационные схемы, в которых два одинаковых термоэлемента включены навстречу другу.
Пироэлектрические приёмники основаны на способности сегнетоэлектрических материалов создавать электрические заряды на своей поверхности при вызванных нагревом механических деформациях. Приёмники этого типа представляют собой тонкую пластинку, вырезанную определенным образом из пироэлектрического кристалла, на которую нанесены металлические электроды и слой поглощающей черни. Излучение, падающее на чернь, вызывает нагрев кристаллической пластинки и появление зарядов на электродах. Пороговая чувствительность пироэлектрических приёмников не зависит от размеров площадки чувствительного элемента (изменяется от 0, 25 до 400), и потому они могут иметь различные конструктивные формы. Пироэлектрическим эффектом обладают кристаллы триглицинсульфата, ниобата лития, керамики типа цирконата-титоната бария или свинца и др.
Оптико-акустические приёмники. К ним относятся приёмники, у которых повышение температуры, вызванное поглощением излучения, непосредственно преобразуется в механическую работу регистрирующего устройства. Оптико-акустический приёмник представляет собой небольшую герметичную камеру, наполненную газом (гелием; двуокисью углерода), в которой расположена зачернённая пластинка. Одной из сторон камеры служит окно, прозрачное для излучения, а другой - гибкая мембрана. Излучение, падающее на зачернённую пластинку, нагревает её, что приводит к повышению температуры и давления газа в камере. Обычно в оптико-акустический приёмник направляют модулированное излучение, и потому мембрана колеблется с амплитудой, зависящей от мощности потока излучения. Изменение кривизны мембраны преобразуется в электрический сигнал, который может быть измерен. Оптико-акустические приёмники без зачернённой пластинки основаны на поглощении оптического излучения непосредственно газом, заполняющим камеру. Пульсации давления газа улавливаются микрофоном, сигнал с которого усиливается и измеряется. В этом случае оптико-акустический приёмник является селективным, т. к. он обладает чувствительностью только в определенных областях спектра (в полосах поглощения газа).
Термопара. Если материалы цепи рис. 2 однородны, то термо-ЭДС зависит только от выбранных материалов и от температур спаев. Это экспериментально установленное положение, называемое законом Магнуса, лежит в основе применения т. н. термопары – устройства для измерения температуры
Термопары используются для измерения температуры. Когда между соединениями разнородных электрических проводников существует разница температур, создается разность потенциалов. В схеме возникает электрический ток. Измеритель, показывающий величину тока, снабжен соответствующей температурной шкалой. Обозначения: A) оба соединения находятся в тепловом равновесии, ток через измеритель не течет B) разница температур вызывает ток, который фиксируется измерителем. 1) «горячий контакт» 2) «холодный контакт» 3) висмутовая проволока 4) медная проволока 5) электрический ток
ГОЛОГРАФИЯ АКУСТИЧЕСКАЯ - интерференционный метод записи, воспроизведения и преобразования звуковых полей. Методы Г. а. используются в звуковидении - получении изображений объектов с помощью акустич. волн, для получения амплитудно-фазовой структуры отражённых и рассеянных полей, измерения характеристик направленности акустич. антенн, пространственновременнбй обработки акустич. сигналов. Физические принципы акустической голографии. Осн. принцип Г. а. аналогичен оптич. голографии: вначале регистрируется интерференц. структура (картина) двух волн (полей), опорной и рассеянной предметом, а затем по полученной записи (акустич. голограмме) осуществляется восстановление либо изображения предмета, либо изображения рассеянного этим предметом поля на нек-ром расстоянии от него. Так, напр. , если объект в виде точечного источника звука О (рис. 1) создаёт сферич. волну US с длиной волны и одновременно излучается другая, опорная волна U 0, когерентная US, т. е. с той же длиной волны , то в плоскости P возникает интерференц. картина, образованная взаимодействием двух волн US и U 0 и имеющая вид концентрич. окружностей (зонная картина Френеля, или кольца Френеля). Это т. н. акустич. голограмма точечного источника. В оптич. голографии такую картину можно зарегистрировать только с помощью квадратичного детектора, поскольку в оптич. диапазоне длин волн линейных детекторов не существует.
Рис. 2. Получение акустических голографических изображений с помощью матричного приёмника: 1 - объект; 2 - излучатель; S - задающий генератор; 4 - устройство формирования сигнала голограммы; 5 - двумерная решётка приёмников; 6 - пространственновременной модулятор света на основе ДКДП; 7 - лазер и коллиматор; 8 -проекционное оптическое устройство; 9 - видеокон; 10 - TV-монитор.
Другие типы приёмников оптического излучения Для регистрации сверхкоротких импульсов лазерного излучения ПК-диапазона разработаны П. о. и. , основанные на увлечении электронов фотонами. При взаимодействии излучения с веществом (внутризонное поглощение на свободных носителях, переходы между подзонами в валентной зоне) вдоль направления распространения излучения возникает движение носителей заряда вследствие наличия у эл--магн. волны конечного импульса. Это движение носителей регистрируется в виде тока или напряжения. П. о. и. такого типа имеют постоянную временис, не требуют принудительного охлаждения и использования источников питания. Ещё большее временное разрешение дос может быть получено при использовании приёмников с микроантенной на основе структур металл - окисел - металл, работающих как туннельный диод . Недостатком приёмников этого типа является их малая чувствительность. Пондеромоторные (механические) приемники оптического излучения реагируют на давление света , для измерения которого служат различные типы датчиков (ёмкостный, пьезоэлектрический), но чаще всего используют крутильные весы. Значит. увеличение чувствительности крутильных весов достигается заменой торсионного подвеса чувствительного элемента бесконтактным подвесом в магнитном поле. Жёсткость крутильных колебаний при этом может быть уменьшена на 3 -4 порядка. Однако применение приёмников этого типа ограничено, т. к. они очень чувствительны к вибрациям и тепловому излучению окружающей среды.
К фотохимическим ПОИ относятся все виды фотослоев, используемых в современной фотографии. Несмотря на различия между отдельными фотографическими процессами, они могут быть разделены на две группы: процессы на галогеносеребряных материалах и процессы на фотопроводящих материалах, к-рые наз. также электрофотографическими процессами. Фотографический процесс состоит из двух стадий. Первая стадия - образование скрытого изображения под действием излучения в процессе экспонирования. Вторая стадия - визуализация скрытого изображения путём проявления и его закрепления для повышения стойкости к внеш. воздействиям. Под действием света после проявления и фиксирования в светочувствительном слое создаётся стойкое фотографическое почернение. Мерой величины поглощённой энергии служит оптическая плотность проявленного фотослоя.
Скачать презентацию Боло метр др -греч βολή луч и
21_Тепловые-Болометр-Акустические.ppt