Приемник излучения
Владельцы патента RU 2391637:
ГОУ ВПО Дальневосточный государственный университет путей сообщения МПС России (ДВГУПС) (RU)
Изобретение относится к оптическому приборостроению. Приемник излучения содержит чувствительный элемент из легированного кристалла сегнетоэлектрика с электропроводностью прыжкового типа, сопряженный нанесенными на его поверхность электродами, имеющими разную работу выхода, и измерительное устройство, соединенное с электродами. Главная оптическая ось кристалла сегнетоэлектрика ориентирована под углом 45°≤α<90° к поверхностям электродов. Один, нанесенный на поверхность кристалла сегнетоэлектрика электрод выполнен из алюминия, другой - из хрома. Технический результат заключается в измерении мощности излучения, близкой к равномерной вольт-ваттной чувствительности на всем частотном диапазоне за счет возникновения пироэлектрического тока в кристалле при быстро изменяющейся во времени мощности излучения и действии в нем термоэлектретного тока при медленно изменяющейся во времени мощности излучения, что позволяет судить о действительном значении мощности излучения. 3 з.п. ф-лы, 1 ил., 1 табл.
Изобретение относится к оптическому приборостроению, а именно к тепловым приемникам излучения, предназначенным для измерения мощности потока излучения.
Общеизвестно, что поток излучения представляет собой совокупность постоянной и переменной составляющих по времени мощности излучения, характеризующуюся сплошным спектром модуляции, включающим инфранизкочастотный и средний диапазон частот теплового излучения.
Известные приемники позволяют измерять излучение с высокой чувствительностью в одном из диапазонов частот модуляции: либо в инфранизком, либо в среднем диапазоне.
Измерение мощности излучения с высокой чувствительностью в одном из диапазонов частот не позволяет судить о действительной мощности (форме) излучения.
Определение действительной мощности теплового излучения на всем спектре требует ее измерения с равномерной чувствительностью на всем частотном диапазоне модуляции.
Проблема известных приемников излучения заключается в измерении ими мощности излучения с неравномерной чувствительностью на всем частотном диапазоне модуляции
Известен диэлектрический приемник излучения, основанный на измерении отклика напряжения, по которому судят о действительной мощности [Винецкий В.Л., Ицковский М.А., Кременчугский Л.С., Самойлов В.Б. Приемник излучения. - АС №501296. - 1973]. Приемник излучения содержит модулятор потока излучения, чувствительный элемент, электрически сопряженный с электродами, и измерительное устройство. Чувствительный элемент представляет собой диэлектрическую пластину, расположенную между двумя электродами, которые соединены с измерительным устройством.
Электроды выполнены из металлов с различной работой выхода и нанесены на поверхность чувствительного элемента в виде пленки. Для лучшего поглощения теплового излучения один из электродов зачернен.
Модулятор представляет собой вращающийся диск с отверстиями, расположенный между источником потока излучения и чувствительным элементом.
Принцип работы приемника основан на зависимости индуцированной поляризации от температуры чувствительного элемента.
Вследствие различной работы выхода двух электродов между ними возникает электрическое квазиоднородное поле, которое поляризует диэлектрик. На гранях диэлектрика возникает индуцированный заряд.
При этом постоянная составляющая мощности излучения (нулевая частота модуляции) не индуцирует электрическое поле внутри диэлектрика вследствие скомпенсированности зарядов. Но при модулировании мощности излучения она преобразуется в переменную величину.
Переменная составляющая собственно мощности излучения по времени совместно с преобразованной индуцирует электрическое поле внутри диэлектрика вследствие нескомпенсированности зарядов на поверхности диэлектрика. Однако в инфранизком диапазоне частот электрическое поле мало. Это обусловлено тем, что переменная составляющая мощности излучения на низких частотах слабо индуцирует заряды внутри диэлектрика. В среднем диапазоне частот электрическое поле достигает максимального значения благодаря возрастанию внутри диэлектрика числа нескомпенсированных зарядов.
Величина заряда, пропорциональная скорости изменения мощности излучения от времени, снимается электродами чувствительного элемента и фиксируется измерительным устройством, которая определяет вольт-ваттную чувствительность приемника.
Переменная составляющая мощности излучения по времени на инфранизких частотах фиксируется как слабый отклик напряжения на чувствительном элементе, что приводит к появлению деполяризационного тока, что обуславливает низкую вольт-ваттную чувствительность приемника излучения.
Переменная составляющая мощности теплового излучения по времени на средних частотах приводит к максимальному индуцированному заряду, что приводит к максимальному отклику деполяризационного тока на чувствительном элементе и обуславливает наибольшую вольт-ваттную чувствительность приемника излучения.
Достоинством известного приемника является измерение мощности излучения по времени во всем диапазоне частот модуляции, включая мощность излучения с нулевой частотой благодаря преобразованию ее в переменную частоту.
Недостатком известного приемника является измерение мощности излучения с неравномерной вольт-ваттной чувствительностью на всем частотном диапазоне, что не позволяет судить о его действительной мощности.
Это обусловлено слабым откликом напряжения на чувствительном элементе в области инфранизких частот при медленно изменяющейся во времени мощности излучения.
Наиболее близким к заявляемому решению по совокупности существенных признаков является сегнетоэлектрический приемник излучения, основанный на измерении отклика тока, по которому судят о действительной мощности [Патент на п.м. №56603 РФ, МПК G01J 5/32 (2006.01). Приемник излучения / Здоровцев Г.Г., Иванов В.И., Климентьев С.В., Криштоп В.В. (РФ); ДВГУПС (РФ). - №2006107156; Заявлено 07.03.2006; Опубл. 10.09.2006, Бюл. №25. - 1 с.: 1 ил.].
Он содержит чувствительный элемент, сопряженный с электродами, и измерительное устройство, соединенное с электродами. Чувствительный элемент представляет собой легированный кристалл сегнетоэлектрика с электропроводностью прыжкового типа, расположенный между электродами. Причем главная оптическая ось кристалла параллельна плоскостям электродов. Электроды выполнены сплошными из различных металлов с разными работами выхода и нанесены на противоположные грани чувствительного элемента в виде пленки. Для лучшего поглощения падающего излучения один из электродов зачернен.
Под действием излучения электрод и легированный кристалл нагреваются. В легированном кристалле вследствие различной работы выхода электродов возникает электрическое поле, обусловленное электретным состоянием. Вследствие параллельности главной оптической оси кристалла, совпадающей с его пироэлектрической осью, плоскостям электродов, в кристалле отсутствует пироэлектрический ток. Электрическое поле, обусловленное электретным состоянием, остается постоянным и не зависит от температуры кристалла. Это поле вызывает протекание в легированном кристалле квазистационарного тока.
Малые расстояния между атомами примеси в кристаллах с прыжковым типом электропроводности обуславливают резкое повышение вероятности движения электронов между атомами примеси при повышении температуры кристалла. При этом электропроводность легированного кристалла прыжкового типа пропорционально растет с температурой. Небольшие изменения температуры значительно изменяют электропроводность кристалла: изменение температуры на 1 К изменяет исходное значение электропроводности в пределах 10÷50%.
При этом постоянная составляющая мощности излучения (нулевая частота мощности) определяет постоянную составляющую температуры кристалла по времени и соответствующее значение его электропроводности, определяющее максимально возможное значение квазистационарного тока на чувствительном элементе.
Переменная составляющая мощности излучения изменяет температуру кристалла в зависимости от частоты.
На инфранизких частотах амплитуда температуры кристалла пропорциональна мощности потока излучения, так как теплоемкость кристалла позволяет отреагировать на медленное изменение переменной составляющей мощности излучения. Эти изменения переменной составляющей приводят к пропорциональному изменению электропроводности, значение которой определяет медленно меняющийся отклик тока на чувствительном элементе, который сопоставим с максимально возможным значением отклика на нулевой частоте.
На среднем диапазоне частот излучения амплитуда температуры кристалла резко падает, что обусловлено значением теплоемкости. Увеличение частоты модуляции мощности излучения приводит к тому, что кристалл не успевает отреагировать на изменение его переменной составляющей. При этом отклик тока в кристалле не соответствует действительному значению мощности и резко отличается (в сторону снижения) от максимально возможного значения отклика на нулевой частоте. Поэтому вольт-ваттная чувствительность измерительного устройства существенно ниже в среднем диапазоне частот модуляции излучения.
Таким образом, вольт-ваттная чувствительность во всем диапазоне частот является неравномерной, на нулевой и инфранизкой частотах она является максимально возможной, а для средних значений частот - минимальной, стремящейся к нулю. По значению отклика тока в измерительном устройстве судят о мощности теплового излучения. Поэтому такой тип приемника излучения существенно искажает действительное значение мощности излучения на средних частотах модуляции.
Достоинством известного приемника является измерение излучаемой мощности, определяемой значением термоэлектретного тока, в инфранизкочастотном диапазоне, включая мощность излучения с нулевой частотой без преобразования ее в переменную.
Недостатком известного приемника является измерение мощности теплового излучения на всем частотном диапазоне модуляции с неравномерной вольт-ваттной чувствительностью, что не позволяет судить о его действительной мощности.
Это обусловлено слабым откликом напряжения на чувствительном элементе в области средних частот модуляции при быстро изменяющейся во времени мощности излучения.
Задача, решаемая изобретением, заключается в разработке приемника излучения, позволяющего производить измерение мощности излучения с близкой к равномерной вольт-ваттной чувствительностью на всем частотном диапазоне модуляции за счет возникновения пироэлектрического тока в кристалле при быстро изменяющейся во времени мощности излучения и действии в нем термоэлектретного тока при медленно изменяющейся во времени мощности излучения, что позволяет судить о действительном значении мощности излучения.
Для решения поставленной задачи в приемнике излучения, содержащем чувствительный элемент из легированного кристалла сегнетоэлектрика с электропроводностью прыжкового типа, сопряженный с нанесенными на его поверхность электродами, имеющими разную работу выхода, и измерительное устройство, соединенное с электродами, главная оптическая ось кристалла сегнетоэлектрика с электропроводностью прыжкового типа ориентирована под углом 45°≤α<90° к поверхностям электродов. Один электрод, нанесенный на поверхность кристалла сегнетоэлектрика, выполнен из алюминия, другой - из хрома. В качестве легированного кристалла сегнетоэлектрика с электропроводностью прыжкового типа выбраны ниобат лития или танталат лития.
Наличие существенного отличительного признака (ориентирование главной оптической оси кристалла сегнетоэлектрика с электропроводностью прыжкового типа под углом 45°≤α<90° к поверхностям электродов) свидетельствует о соответствии заявляемого решения критерию патентоспособности изобретения «новизна».
Благодаря такой ориентации главной оптической оси кристалла сегнетоэлектрика с электропроводностью прыжкового типа к поверхностям электродов мощность излучения на всем частотном диапазоне измеряется с вольт-ваттной чувствительностью, близкой к равномерной. Это обусловлено тем, что при быстро изменяющейся во времени мощности излучения в области средних частот вольт-ваттная чувствительность имеет максимально возможное значение благодаря пироэлектрическим свойствам кристалла, и при медленно изменяющейся во времени мощности излучения в области нулевой и инфранизких частот модуляции вольт-ваттная чувствительность имеет максимально возможное значение благодаря электретным свойствам кристалла. Получение вольт-ваттной чувствительности, близкой к равномерной, на всем диапазоне частот модуляции излучения позволяет судить о действительном значении мощности излучения.
Причинно-следственная связь «ориентация главной оптической оси кристалла сегнетоэлектрика с электропроводностью прыжкового типа под углом 45°≤α<90° к поверхностям электродов обуславливает измерение мощности излучения на всем частотном диапазоне модуляции с вольт-ваттной чувствительностью, близкой к равномерной» явно не следует из уровня техники, что свидетельствует о соответствии заявляемого приемника излучения критерию патентоспособности изобретения «изобретательский уровень».
На чертеже представлена схема приемника излучения.
Приемник излучения содержит чувствительный элемент 1, электрически сопряженный с электродами 2, 3, и измерительное устройство 4.
Чувствительный элемент 1 представляет собой легированный кристалл сегнетоэлектрика с прыжковым типом электропроводности. В качестве сегнетоэлектрика с прыжковым типом проводимости выбирается сегнетоэлектрик, например, ниобат лития, легированный железом, или танталат лития, легированный железом, которые обладают общими физическими свойствами для этого вида сегнетоэлектриков.
Электроды 2, 3 выполнены сплошными из различных металлов с разными работами выхода и нанесены на противоположные грани чувствительного элемента 1 в виде пленки. Для лучшего поглощения теплового излучения один из электродов зачернен. Один электрод выполнен, например, из алюминия с работой выхода, равной 4,25 эВ, другой - из хрома с работой выхода, равной 4,58 эВ. Электроды 2, 3 электрически сопряжены с измерительным устройством 4.
Главная оптическая ось кристалла расположена под углом 45°≤α<90° к плоскости электродов.
Приемник излучения работает следующим образом.
В легированном кристалле ниобата лития 1, в случае расположения его главной оптической оси параллельно плоскостям электродов 2, 3, вследствие различной работы выхода электронов возникает электрическое поле. Благодаря электретным свойствам сегнетоэлектрика это поле остается постоянным во времени, не зависит от температуры кристалла и вызывает протекание в легированном кристалле 1 квазистационарного тока.
В легированном кристалле 1 с прыжковым типом электропроводности электроны перемещаются преимущественно прыжками от одного атома примеси к другому. Это обусловлено малыми расстояниями между атомами примеси в кристаллах с прыжковым типом электропроводности. Вероятность прыжков электронов между атомами примеси с увеличением температуры резко повышается. При этом электропроводность сегнетоэлектрика с прыжковым типом проводимости зависит от температуры следующим образом:
σ=σ0 ехр (-(Т0/Т)0,25),
где σ0, Т0 - эмпирические константы, Т - термодинамическая температура кристалла.
При небольших изменениях температуры электропроводность кристалла значительно изменяется, что приводит к изменению квазистационарного тока в нем. При изменении температуры на 1 К электропроводность изменяется в пределах 10÷50% от исходного значения. Значительные изменения электропроводности, приводящие к изменению квазистационарного тока, пропорциональные изменению мощности излучения, проявляются только на нулевых и на инфранизких частотах.
При изменении ориентации главной оптической оси кристалла 1 относительно поверхности электродов 2, 3 он работает не только как кристалл с прыжковым типом проводимости, но и как пироэлектрик. Общеизвестно, что пироэлектрическая ось кристалла совпадает с его главной оптической осью.
При расположении главной оптической оси (пироэлектрической) кристалла под любым отличным от нуля углом к плоскостям электродов изменение температуры пироэлектрика приводит к появлению зарядов на плоскостях электродов и, соответственно, пироэлектрического тока. При этом зависимость тока от скорости изменения температуры кристалла определяется формулой , где γ - пироэлектрический коэффициент, Т - температура кристалла, t - время; А0 - коэффициент пропорциональности. Чем выше скорость изменения температуры, тем выше величина пироэлектрического тока. Поэтому на нулевых и инфранизких частотах модуляции пироэлектрический эффект проявляется незначительно, а максимально возможного значения достигает на средних частотах.
Таким образом, чувствительный элемент 1 реагирует на изменение мощности излучения на всем частотном диапазоне: на нулевой и инфранизких частотах, работая как электрет, и на средних частотах, работая как пироэлектрик, что позволяет измерять мощность излучения на всем диапазоне частот модуляции.
В области нулевой и инфранизких частот, когда мощность излучения медленно изменяется, приводящих к небольшим изменениям температуры кристалла во времени, вольт-ваттная чувствительность имеет максимально возможное значение. В области средних частот, когда быстро изменяющаяся по времени мощность излучения приводит к высокой частоте изменения температуры кристалла, вольт-ваттная чувствительность имеет максимально возможное значение.
Наличие максимально возможного значения вольт-ваттной чувствительности на всем диапазоне частот модуляции мощности излучения свидетельствует о равномерности частотной характеристики приемника излучения, что позволяет судить о действительной мощности излучения на всем диапазоне частот модуляции.
Измерение мощности излучения проводилось с помощью чувствительных элементов 1, которые выполнены из
- кристалла ниобата лития LiNbO3, пироэлектрическая ось направлена перпендикулярно плоскости электродов (электроды 2, 3 выполнены из алюминия Al и хрома Cr) (пример 1);
- кристалла ниобата лития LiNbO3, пироэлектрическая ось направлена под углом 45° к плоскости электродов (электроды 2, 3 выполнены из алюминия Al и хрома Cr) (пример 2);
- кристалла танталата лития LiTaO3, пироэлектрическая ось направлена перпендикулярно плоскости электродов (электроды 2, 3 выполнены из алюминия Al и хрома Cr) (пример 3);
кристалла танталата лития LiTaO3, пироэлектрическая ось направлена под углом 46° к плоскости электродов (электроды 2, 3 выполнены из алюминия Al и хрома Cr) (пример 4);
- кристалла ниобата лития LiNbO3, пироэлектрическая ось направлена под углом 44° к плоскости электродов (электроды 2, 3 выполнены из алюминия Al и хрома Cr) (пример 5);
кристалла танталата лития LiTaO3, пироэлектрическая ось направлена под углом 44° к плоскости электродов (электроды 2, 3 выполнены из алюминия Al и хрома Cr) (пример 6);
- кристалла ниобата лития LiNbO3, пироэлектрическая ось направлена параллельно плоскости электродов (электроды 2, 3 выполнены из алюминия Al и хрома Cr) (пример 7 - прототип).
Кристаллы легированы железом до концентрации 0,3% от массы кристалла. Размеры чувствительных элементов 1×1×0,1 мм3.
В качестве измерительного устройства использовался микровольтметр В7-26.
Проведение физико-технических испытаний свидетельствует о соответствии заявляемого объекта критерию патентоспособности изобретения «промышленная применимость». Для сравнительного измерения мощности излучения использован измеритель оптической мощности ИМО-2Н (Пример 8).
Источник излучения 5, измерение мощности потока которого осуществлялось, представляет собой лампу накаливания.
Значения чувствительности приемников при различных частотах модуляции потока теплового излучения приведены в таблице.
| Чувствительный элемент | Чувствительность на разных частотах модуляции fM падающего излучения, В/Вт | Неравномерность вольт-ваттной чувствительности на всем частотном диапазоне, дБ | |
| fM=10-2, Гц | fM=103, Гц | ||
| Пример 1 | 5,6 | 5,69 | 0,13 |
| Пример 2 | 5,5 | 3,89 | 3,0 |
| Пример 3 | 4,0 | 4,1 | 0,21 |
| Пример 4 | 3,9 | 2,8 | 2,88 |
| Пример 5 | 5,6 | 3,89 | 3,16 |
| Пример 6 | 4,0 | 2,78 | 3,16 |
| Пример 7 | 5,52 | 2,2×10-5 | 108,0 |
| Пример 8 | 5,7 | 5,69 | 0,17 |
Результаты исследования показывают, что в интервале углов 45°≤α<90° между оптической осью и плоскостью электродов вольт-ваттная чувствительность на всем частотном диапазоне приближается к равномерной. Это подтверждается тем, что равномерность вольт-ваттной чувствительности на всем частотном диапазоне не превышает 3 дБ (Политехнический словарь / Под ред. И.И.Артоболевского. - М.: Советская энциклопедия, 1977. - 379 С. Полоса пропускания).
Использование заявляемого приемника излучения позволяет в отличие от прототипа производить измерение мощности на всем частотном диапазоне, причем эти измерения сопоставимы с контрольными измерениями с помощью оптического измерителя мощности.
1. Приемник излучения, содержащий чувствительный элемент из легированного кристалла сегнетоэлектрика с электропроводностью прыжкового типа, сопряженный с нанесенными на его поверхность электродами, имеющими разную работу выхода, и измерительное устройство, соединенное с электродами, отличающийся тем, что для измерения изменяющейся во времени мощности излучения главная оптическая ось кристалла сегнетоэлектрика с электропроводностью прыжкового типа ориентирована под углом 45°≤α<90° к поверхностям электродов.
2. Приемник излучения по п.1, отличающийся тем, что нанесенный на поверхность кристалла один электрод выполнен из алюминия, другой - из хрома.
3. Приемник излучения по любому из пп.1 и 2, отличающийся тем, что в качестве легированного кристалла сегнетоэлектрика с электропроводностью прыжкового типа выбран ниобат лития.
4. Приемник излучения по любому из пп.1 и 2, отличающийся тем, что в качестве легированного кристалла сегнетоэлектрика с электропроводностью прыжкового типа выбран танталат лития.
