Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное государственное автономное образовательное учреждение

высшего образования

«Уральский федеральный университет имени первого Президента России Б.Н. Ельцина»

Уральский энергетический институт

Кафедра тепловых электрических станций

ВЫПУСКНАЯ КВАЛИФИКАЦИОННАЯ РАБОТА

Изучение динамических характеристик КРТ-детектора

Студент гр. Лашова А.А.

Руководитель Абаимов Н.А.

Екатеринбург 2016



ОГЛАВЛЕНИЕ

1. АКТУАЛИЗАЦИЯ СПЕКТРОМЕТРИИ

1.1 Электромагнитные волны и их классификация

1.2 Проводники излучения

1.2.1 Проводники электромагнитных волн. Теория волноводов

1.2.2 Классификация волноводов по конструкции и области применения

1.2.3 Проводники ИК-излучения

1.3 Способы и методы детектирования электромагнитного излучения

1.3.1 Приемники излучения и их классификация

1.3.2 Особенности детектирования ИК-излучения

1.3.3 Принцип действия и особенности КРТ-детектор

2. ИССЛЕДОВАНИЕ ДИНАМИЧЕСКИХ ПРОВОДЯЩИХ СВОЙСТВ ИК-СВЕТОВОДОВ ИЗ ГАЛОГЕНИДОВ СЕРЕБРА С ПОМОЩЬЮ КРТ-ДЕТЕКТОРА

2.1 Постановка основных задач исследования

2.2 Выбор основного и вспомогательного оборудования

2.3 Проведение эксперимента по исследованию динамических характеристик КРТ-детектора и ИК-световода

2.3.1 Исследование воспринимающей способности КРТ-детектора в зависимости от интенсивности ИК-излучения

3. АНАЛИЗ ПОЛУЧЕННЫХ РЕЗУЛЬТАТОВ ИССЛЕДОВАНИЙ ДИНАМИЧЕСКИХ ПРОВОДЯЩИХ СВОЙСТВ ИК-СВЕТОВОДОВ ИЗ ГАЛОГЕНИДОВ СЕРЕБРА И КРТ-ДЕТЕКТОРА

3.1 Анализ результатов по исследованию зависимости воспринимающей способности КРТ-детектора от интенсивности ИК-излучения

3.2 Анализ результатов по сравнению влияния непрерывного и импульсного режимов передачи ИК-излучения на воспринимающую способность КРТ-детектора

3.3 Анализ результатов по сравнению пропускных способностей ИК-световодов различных составов и изучение их влияния на передаваемое излучение в непрерывном и импульсном режимах работы



1. АКТУАЛИЗАЦИЯ СПЕКТРОМЕТРИИ

1.1 Электромагнитные волны и их классификация

Электромагнитная волна - электромагнитные колебания, распространяющиеся в пространстве и переносящие энергию.

Электромагнитные волны распространяются практически во всех средах, однако только в вакууме излучение способно передаваться без затуханий на большие расстояния. Скорость распространения волны в вакууме равна скорости света. Тем не менее, некоторые электромагнитные волны достаточно хорошо распространяются в пространстве, заполненном веществом.

Основные характеристики электромагнитного излучения - частота, длина волны и поляризация.

Длина волны связана с частотой через групповую скорость распространения излучения. Групповая скорость (характеризует скорость распространения группы волн) распространения электромагнитного излучения в вакууме равна скорости света, в других средах эта скорость меньше. Фазовая скорость (скорость фиксированной точки волны, которая обладает определенной фазой колебательного движения) электромагнитного излучения в вакууме также равна скорости света, однако в зависимости от среды она может быть меньше или больше скорости света.

Также электромагнитные волны характеризуются тем, что способны оказывать на заряженные частицы силовое воздействие.

Силовое воздействие электромагнитного поля на заряженные частицы и тела обладает определенной направленностью, поэтому для его описания принято вводить векторные величины. Особенности электромагнитных волн, законы их возбуждения и распространения описываются уравнениями Максвелла. Если в какой-то области пространства существуют электрические заряды и токи, то изменение их со временем приводит к излучению электромагнитных волн. Описание их распространения аналогично описанию механических волн.

Из теории Максвелла вытекает, что различные электромагнитные волны имеют общую природу. Однако свойства волн различной частоты существенно различаются. В физике принята классификация электромагнитных волн, представленная ниже. Вся шкала условно подразделена на несколько диапазонов в зависимости от длины (или частоты) волны.

Таблица 1.1. Классификация электромагнитных волн.

Длина волны, м	Название диапазона	Источники
105 - 5х10-3	Радиоволны	Переменные токи в проводниках
10-3 - 7,8х10-7	Инфракрасное излучение	Излучение молекул и атомов при тепловых и электрических воздействиях
7,8х10-7 - 3,8х10-7	Видимый свет
3,8х10-7 - 10-8	Ультрафиолетовое излучение	Излучение атомов под действием ускоренных электронов
10-8 - 5х10-12	Рентгеновское излучение	Внутриатомные процессы под действием ускоренных частиц
Менее 5х10-12	Гамма - излучение	Ядерные и космические процессы, радиоактивный распад

Радиоволны - это электромагнитное излучение с длинами волн 10⁵ - 5х10^-3м и с частотой от 3кГц до 3 ТГц. Радиоволны распространяются со скоростью света, могут быть естественного (молнии, астрономические и космические объекты) и искусственного происхождения. Радиоволны в свою очередь делятся на такие частотные диапазоны как сверхдлинные, длинные, средние, короткие и ультракороткие волны. В зависимости от частоты и длины волны распространяются в атмосфере по-разному: длинные последовательно покрывают часть Земли, двигаясь вдоль поверхности, средние волны отражаются от ионосферы, короткие и ультракороткие изгибаются или слабо отражаются и распространяются на малые расстояния в пределах прямой видимости.

Инфракрасное излучение - это электромагнитное излучение с диапазоном длин волн от 10^-3 м до 7,8х10^-7м. Инфракрасное излучение занимает спектральную область между концом красного света видимого излучения и микроволновым (или СВЧ) излучением. Инфракрасное излучение также называют тепловым. При этом длины волн, излучаемые телом, зависят от температуры нагревания: чем выше температура, тем короче длина волны и выше интенсивность излучения. Источником инфракрасного излучения являются возбуждённые атомы или молекулы нагретого вещества. Оптические свойства веществ в инфракрасном излучении значительно отличаются от их свойств в видимом излучении. Для его регистрации пользуются тепловыми и фотоэлектрическими приёмниками, а также специальными фотоматериалами, которые включаются в состав различных детекторов, индикаторов и прочих устройств.^.

Тепловое излучение приходится на инфракрасный участок спектра от 0,74 мкм до 1000 мкм. В этом диапазоне может осуществляться лучистый теплообмен, отличительной способностью которого является то, что он может осуществляться между телами в различных средах, в том числе в вакууме.

Тела обычно испускают инфракрасное излучение во всём спектре длин волн, однако для изучения обычно отбирают ограниченную область спектра, представляющую особый интерес. Это обусловлено характеристиками приемников: датчики способны собирать излучение только в пределах определенной полосы пропускания. Таким образом, инфракрасный диапазон часто подразделяется на более мелкие диапазоны:

· Ближний диапазон

· Средний диапазон

· Дальний диапазон

Ближний диапазон ИК-волн ограничен видимым светом и прозрачностью воды. Распространение инфракрасного излучения в воде значительно ухудшается при длине волны более 1450 нм. В данном диапазоне работают широко распространенные инфракрасные светодиоды, лазеры для оптических систем связи, некоторые видеокамеры и приборы ночного видения с электро-оптическим преобразователем.

В среднем диапазоне ИК-волн начинают излучать тела, нагретые до нескольких градусов Цельсия. В этом диапазоне чувствительны некоторые артиллерийские установки (с головками самонаведения) систем ПВО и технические тепловизоры.

Дальний диапазон инфракрасного спектра характеризуется излучением тела с температурами около нуля градусов Цельсия. Этот диапазон детектируется тепловизорами для приборов ночного видения.

Видимый свет - это электромагнитные волны, воспринимаемые человеческим глазом, в диапазоне от 380-400 нм до 760-780 нм, при этом максимум чувствительности приходится на середину этого диапазона - 555 нм (зеленый свет). Совокупность инфракрасного, видимого и ультрафиолетового излучения образует оптическую область спектра ЭМВ. Выделение оптической части обусловлено как близостью соответствующих участков спектра, так и сходством приборов для их исследования.

Ультрафиолетовое излучение располагается между видимыми и рентгеновскими волнами и занимает диапазон от 10^-8 м до 5х10^-12м. Как и свет, УФ-излучение представляет собой форму оптического излучения, имея меньшую длину волны и большую энергию фотонов. Большинство источников света испускают УФ-волны, поэтому для искусственного получения ультрафиолетового излучения используются специальные источники, такие как бактерицидные лампы, испускающие единственную длину волны, равную 254 нм.

Рентгеновское излучение определяется диапазоном длин волн от 10^-8 м до 5х10^-12 м и испускаются при участии свободных или связанных в атомы электронов. Фотоны рентгеновского излучения имеют энергию от 100 эВ до 250кэВ, соответствующую частоте от 3х10¹⁶ Гц до 6х10¹⁹ Гц. В зависимости от частоты, рентгеновские волны разделяют на мягкое и жесткое излучение. Мягкое характеризуется наибольшей длиной волны и широко используется в медицине. Жесткое рентгеновское излучение, напротив, имеет наибольшую энергию фотона и наименьшую длину волны, используется преимущественно в промышленных целях.

Гамма-излучение (г-лучи) - вид электромагнитного излучения с наименьшей длинной волны - менее 5х10^-12. Данный класс волн обладает слабо выраженными волновыми свойствами. Гамма-излучение испускается пи переходах между возбужденными состояниями атомных ядер, при ядерных реакциях, а также при отклонении заряженных частиц в магнитных и электрических полях.

1.2 Проводники излучения

1.2.1 Проводники электромагнитных волн. Теория волноводов

Электромагнитное излучение характерно тем, что может распространяться практически во всех средах, в том числе в вакууме.

Наиболее простой средой, в которой распространяются электромагнитные волны, является вакуум. Вакуум представляет собой единственную среду распространения электромагнитных волн, в которой нет дисперсии и потерь, а скорость распространения электромагнитных волн не зависит от частоты.

В свободном пространстве ЭМ-волны распространяются прямолинейно, однако при столкновении с физическими барьерами могут поглощаться, рассеиваться, преломляться, отражаться и интерферировать (складываться). Поглощение ЭМ-излучения приводит к уменьшению амплитуды колебаний с расстоянием из-за потерь. Рассеяние и отражение волн происходят при прохождении излучения через препятствие, размеры которого сравнимы с длиной волны, причем рассеяние, отражение и интерференция могут приводить как к ухудшению принимаемого сигнала, так и к увеличению силы этого сигнала. Отражение ЭМ-излучения от препятствий и интерференция искажают фронт волны, что приводит к ошибкам при определении направления волны. Например, направление перпендикуляра к фронту радиоволны, определяемое пеленгатором, может не совпадать с искомым направлением на передатчик, если фронт искажен.

Электромагнитное излучение, распространяющееся в пространстве, нельзя назвать направленным, так как волна, выходящая от источника, при передаче может изменить направление, исказиться, преломиться либо рассеяться. Таким образом, возникает вопрос направленной передачи электромагнитной энергии.

Для длинноволновых ЭМ-излучений проблема направленной передачи энергии решена достаточно давно: передача ЭМ-излучений с большой длинной волны (низкочастотные волны) выполняется с помощью проводов - проводников в требуемых направлениях, с малыми потерями мощности (около 1% на 1000 км). Однако для более коротких длин волн, нельзя организовать направленную передачу энергии таким способом, поэтому был поставлен вопрос о передаче коротковолнового излучения. Решением данной проблемы стало создание такого устройства, как волновод.

Волновод - это искусственный направляющий канал, в котором за счет многократного отражения волны происходит ее распространение. При этом поток мощности, которую переносит ЭМ-волна, сосредоточен внутри этого канала.

Конструкция волновода представляет собой полую металлическую трубку круглого или прямоугольного сечения, изготовленную из хорошо проводящего материала. В большинстве волноводов в центр канала, соосно с внешней трубкой, помещается проводник. В этом случае внешняя трубка называется экраном. Цилиндрические волноводы, по сравнению с прямоугольными, имеют меньшее затухание передаваемого сигнала, поэтому используются для передачи энергии на дальние расстояния.

Принцип действия волновода основан на законе отражения электромагнитных волн: ЭМ-излучение не может проникать через металлические поверхности и отражается от них. В волноводе электромагнитное излучение передается по тем же законам, что и в атмосфере, но распространение является направленным и ограниченным по частоте.

В волноводе волны распространяются зигзагообразно, многократно отражаясь от стенок канала. Угол входа излучения в волновод должен быть отличным от 0⁰ относительно оси трубки, т.к. при нулевом угле волна будет испытывать многократное отражение без поступательного движения, а это означает, что волна «зависнет» внутри волновода и не попадет к приемнику. Таким образом, наиболее быстрая и точная передача излучения будет происходить при входе излучения под углом, близким к 90⁰ , когда волна будет претерпевать малое число отражений и будет стремиться к прямолинейному движению вдоль канала.

На характеристики движения излучения внутри волновода также влияет длина волны: чем больше длина волны передаваемого излучения, тем большее количество отражений претерпевает это излучение. Схематически зависимость числа отражений от длины волны представлена на рисунке 1.1.

Рисунок 1.1. Отражение от стенок волновода излучений с различной длиной волны.

Исходя из зависимости количества отражений от длины волны, можно сделать вывод, что при некотором значении л входящее в канал излучение будет испытывать большое число отражений и малое поступательное движение, т.е. в волноводе установится режим стоячей волны, при котором ни волна, ни ее энергия не перемещается вдоль канала.

Таким образом, при определенном значении длины волны (и соответствующей ей частоты), называемой критической, волновод перестает пропускать излучение. Из этого следует, что волновод действует как фильтр длинных волн, срезая волны с л, превышающей некоторое критическое значение и пропуская волны с меньшими длинами.

Критическая частота и длина волны связаны с конструкцией волновода, а именно с его поперечными размерами. Диаметр цилиндрического проводника должен превышать длину волны пропускаемого излучения, но сама величина обязана быть такого же порядка. Это является одной из причин отсутствия волноводов для излучений с большой длиной волны.

При движении волны вдоль волновода всегда наблюдается ее некоторое затухание, т. е. энергия волны постепенно уменьшается. Это объясняется тем, что на внутренней поверхности стенок волновода создаются токи, которые расходуют часть своей энергии на нагрев металла. Таким образом, в идеальном проводнике возникшие токи не расходовали бы энергию на нагревание, и волна проходила бы без затухания, т.е. энергия отраженного излучения была бы равна энергии падающей волны. В действительности, используемые на практике волноводы нельзя назвать идеальными, поэтому в них происходит некоторая потеря энергии на нагревание и отсутствует равенство энергий падающей и отраженной волн.

Конструктивное выполнение волноводов зависит от требуемых свойств проводника и является достаточно разнообразным. Для уменьшения потерь энергии проходящего излучения, внутреннюю поверхность волновода делают более гладкой, в некоторых случаях покрывают серебром, плотно соединяют отдельные части канала друг с другом, т.е. минимизируют частичные отражения волн от различных неоднородностей, имеющихся в волноводе. Любые нарушения однородности внутреннего устройства волновода приводят к отражению волн, в результате чего возрастают потери и снижается КПД волновода.

1.2.2 Классификация волноводов по конструкции и области применения

Геометрические параметры волноводов определяются в первую очередь формой и диаметром поперечного сечения, наличием проводника в центре волнового канала. Однако, с точки зрения передачи энергии, более важными конструктивными характеристиками является наличие внешнего экрана и присутствие заполнения внутреннего пространства волновода.

Таким образом, по конструктивным особенностям, волноводы могут быть разделены, как

· Экранированные;

· Неэкранированные

В экранированных волноводах стенки выполняются с высоким коэффициентом отражения, благодаря которому поток мощности волны сосредоточен внутри волновода. Такие проводники выполняются в виде полых или заполненных специальной средой трубок. Для предотвращения отражения волн в обратном направлении, к волноводу предъявляется требование по постоянству геометрических и физических характеристик по длине проводника излучения - форма и размеры поперечного сечения, а также физические свойства материалов должны быть постоянны вдоль длины волновода.

Неэкранированные волноводы также называют открытыми. В них локализация электромагнитного поля осуществляется за счет полного внутреннего отражения излучения от границы двух сред или от областей с постепенно изменяющимися параметрами среды. Основная часть энергии поля локализуется в области поперечного сечения проводника, при этом оставшаяся энергия излучения быстро убывает за пределами этой области.

Волноводы, применяемые для различных диапазонов ЭМ-излучения, имеют различные конструкции и особенности работы. В связи с этим можно представить следующую классификацию волноводов. По типу передаваемого излучения можно представить:

· Радиоволноводы;

· Лучеводы;

· Оптоволоконные диэлектрические волноводы;

· ИК-световоды;

Радиоволноводы характеризуются тем, что используются только для распространения радиоволн. Поперечные размеры радиоволноводов соизмеримы с длинами передаваемых волн. Проводники данного вида могут иметь разнообразные формы поперечного и могут иметь прямоугольное, круглое, П-образное, Н-образное и другие видов сечений (рисунок 1.2)

Рисунок 1.2. Виды поперечного сечения радиоволновода

Радиоволны распространяются в результате многократного отражения от внутренних стенок и за счет интерференции отраженных ЭМ-волн. Такие линии передачи называют закрытыми.

Существуют также поверхностные радиоволноводы. При этом проводник излучения имеет вид металлической ленты или цилиндрического проводника с нанесенным на них диэлектрическим покрытием, вдоль которых могут распространяться радиоволны различных типов.

Лучеводы представляют собой особый вид волновода, относящийся к квазиоптическим линиям передачи, служащий для распространения волн миллиметрового диапазона. Наибольший интерес такие проводники представляют для квазиоптики, где и используются в научно-исследовательских целях.

Диэлектрические волноводы состоят исключительно из диэлектрических материалов и более известны как оптоволноводы или оптоволоконные кабели. Физически волноводы данного типа представляют собой нить из оптически прозрачного материала, в качестве которого используется стекло или пластик, и используются для переноса света (т.е. излучения видимой и ультрафиолетовой областей спектра ЭМ-волн) посредством полного внутреннего отражения.

Волоконный световод имеет двухслойную конструкцию: в центре проводника излучения расположен сердечник, который покрывается специальной оболочкой (рисунок 1.3). Оптические характеристики сердечника и покрытия выбираются исходя из целей использования проводника.

Рисунок 1.3. Конструкция диэлектрического (оптического) волновода

Наиболее широкое распространение получили ступенчатые и градиентные световоды. В ступенчатых волноводах показатель преломления в сердечнике постоянен и имеется резкий переход от показателя преломления сердечника к показателю преломления оболочки. В градиентных световодах волокна имеют постепенное плавное изменение показателя преломления сердечника от центра к периферии.

Ступенчатые световоды подразделяются на одномодовые и многомодовые. Одномодовые волноводы имеют сердечник с диаметром примерно равным длине проходящей волны, поэтому они способны передавать только один тип световых ЭМВ. В многомодовых проводниках излучения диаметр сердечника существенно больше длины волны, вследствие чего по нему распространяются волны различной частоты.

Таким образом, существует три вида оптических световодов: одномодовые ступенчатые, многомодовые ступенчатые и градиентные, которые в свою очередь являются многомодовыми. Данные световоды и характер распространения световых волн в них изображены на рисунке 1.4.

Рисунок 1.4. Виды оптических волокон: а)многомодовое ступенчатое, б)многомодовое градиентное, в)одномодовое ступенчатое

В диэлектрических волноводах сердечник служит передатчиком электромагнитной энергии, оболочки создает условия отражения на границе сердечник-- оболочка и защищает от излучения энергии в окружающее пространство.

Инфракрасные световоды - это проводники излучения, передающие волны с диапазоном, соответствующим инфракрасному спектру ЭМВ.

Передача инфракрасного излучения долгое время оставалась недоступной областью оптофизики в силу отсутствия материалов, которые будут достаточно прозрачны для спектра ИК-волн и способны передавать сигнал с минимальными потерями и помехами.

В настоящее время разработаны материалы, способные обеспечить требуемую прозрачность и проводящие длинноволновую область ИК-спектра, которые можно разделить на три класса

· Галогенидные кристаллы

· Халькогенидные стекла

· Стекла на основе фторидов тяжелых металлов

Из представленных классов световодов наибольший интерес представляют галогенидные кристаллы, т.к. они прозрачны в широком диапазоне ИК-спектра, имеют малые полные оптические потери, устойчивы к видимому излучению, а также имеют высокую механическую прочность и гибкость.

Халькогенидные стекла и стекла на основе фторидов тяжелых металлов обладают широким диапазоном прозрачности. Однако их яркими недостатками, в сравнении с галогенидными кристаллами, являются увеличение оптических потерь вследствие увеличения размера зерен, более низкие механические свойства, токсичность.

Инфракрасные световоды могут передавать простые инфракрасные изображения предметов или информацию о температуре труднодоступных или сильно удаленных объектов. Такие световоды в виде гибкого оптического кабеля можно будет использовать для передачи мощного лазерного излучения, применяемого в медицине, энергетике, металлургии и других сферах.

1.2.3 Проводники ИК-излучения

Исследование материалов для инфракрасной области спектра ЭМ-волн является актуальной проблемой в течение нескольких десятилетий. Долгое время было доступно только коротковолновое ИК-излучение, которое проводилось с помощью кварцевых стекол, средняя же и дальняя область ИК-спектра были недоступны для исследований.

Диапазон более длинных волн представляет интерес для научного и практического применения, так как обладает физическими свойствами, которые интересны не только для научных исследований, но и для промышленного и медицинского применения.

Силами современной науки были получены вещества, прозрачные для среднего и длинного диапазона инфракрасных волн, такие как галогениды серебра, растворы одновалентного таллия, стекла на основе фторидов тяжелых металлов, халькогенидные стекла.

Из вышеперечисленных проводников, наибольший интерес представляют галогениды серебра, прозрачные в среднем ИК-диапазоне спектра от 2,0 до 40,0 мкм. Они представляют собой дефектные кристаллы, обладающие различными структурно-чувствительными свойствами - оптическими, механическими, люминесцентными, магнитными, фотоэлектрическими и другими, которые определяются составом кристаллов и степенью их дефектности. Дефекты выступают в роли носителей этих свойств. Термин «дефект» приобрел смысл нормального структурного элемента кристалла, от которого зависят свойства кристаллической матрицы, а кристаллы на основе твердых растворов внедрения и замещения относят к кристаллам с дефектами.

В настоящее время наилучшими свойствами обладают кристаллы на основе твердых растворов галогенидов серебра и одновалентного таллия AgCl_xBr_(x-1) TIBr_xI_1-x_или (КРС-5) и TlCl_xBr_1-x или (KPC-6). Кроме того, указанные кристаллы прозрачны в широком диапазоне длин волн видимого и ИК-излучения (от 0,4 до 40,0 мкм). Они не гигроскопичны, высоко пластичны и не обладают эффектом спайности, и поэтому из них методом экструзии (выдавливанием) получают однослойные и двухслойные ИК-световоды.

Стоит отметить, что из перечисленных составов световодов наименее качественным является КРС-5, т.к. в нем из-за рекристаллизации создается крупнозернистая микроструктура, которая сильно рассеивает свет и приводит к быстрому разрушению ИК-световода, в результате чего происходит затухание передаваемого излучения.

Таким образом, кристаллы твердых растворов галогенидов серебра являются практически единственным среди известных нетоксичным, негигроскопичным материалом, пригодным для создания световодов, передающих электромагнитное излучение в спектральном диапазоне от 2 до 40 мкм.

Уникальный состав и метод выращивания фотостойких кристаллов на основе галогенидов серебра был разработан Инновационно-внедренческим центром «Центр инфракрасных волоконных технологий» при Химико-Технологическом институте УрФУ имени первого президента России Б.Н.Ельцина.

На базе этого центра производятся нанокристаллические ИК-световоды для широкого применения, а также ведутся исследования по усовершенствованию характеристик волноводов: исследуются новые составы, ведется усовершенствование методов выращивания кристаллов, разрабатываются новые технологии производства ИК-проводников.

1.3 Способы и методы детектирования электромагнитного излучения

1.3.1 Приемники излучения и их классификация

Детекторы или приемники излучения - это устройства для преобразования сигналов электромагнитного излучения в сигналы другого физического вида с целью их обнаружения и дальнейшего использования информации, которую они несут. Приемники излучения часто являются одними из узлов автоматических приборов, используемых в системах управления и регулирования. Детекторы занимают важное место в научных исследованиях, спектроскопии, квантовой электронике, астрономии.

Преобразование сигналов в детекторах осуществляется в процессе взаимодействия поля электромагнитного излучения со специальным веществом. При этом поле изменяет энергетическое состояние электронов, атомов или молекул вещества, а детектор регистрирует эти изменения.

Существуют различные типы приемников излучения, которые можно разделить по измеряемым диапазонам длин электромагнитных волн или по агрегатному состоянию активного вещества (детектирующей среды).

По длинам и частотам измеряемого излучения приемники можно представить следующим классами:

· Радиоприемник

· Фоторезисторы

· Фотодиоды

· Фототранзисторы

· Фотоэлектронный умножитель

· Электронно-оптические преобразователи

· Приемники для визуализации скрытого рентгеновского изображения

· Детекторы для регистрации интенсивности и спектра рентгеновского излучения

· Детекторы ядерных излучений

Радиоприемник - это устройство, включающее в себя антенну, а также средства обработки принимаемой информации и воспроизведения её в требуемой форме (визуальной, звуковой, в виде печатного текста и т. п.).

Антенна и средства воспроизведения могут конструктивно входить в состав радиоприёмника. Детектирующее устройство выполняет пространственное и поляризационное разделение радиоволн по частоте и осуществляет преобразование выбранной волны в электрические радиосигналы (напряжение, ток) с помощью антенны: преобразует входящие волны по частоте, выделяет требуемый радиосигнал из совокупности других сигналов и помех, действующих на входе приёмной антенны и не совпадающих по частоте с полезным сигналом, усиление, преобразует полезный радиосигнал в вид, в котором есть возможность использовать содержащуюся в нём информацию.

Фоторезистор - прибор, электрическое сопротивление которого уменьшается под действием облучения его чувствительного слоя при увеличении освещенности, используются для детектирования ИК-излучения.

Встречаются фоторезисторы сернисто-кадмиевые (CdS), селено-кадмиевые (CdSe) и их разновидности - сернисто-селенокадмиевые. Нужно отметить что фоторезисторы обладают достаточно узким спектральным диапазоном в ИК области и большей инертностью. Хотя фоторезисторы и позволяют ставить интересные эксперименты в области ИК излучения, их использование сводится к весьма простым приложениям.

Фотодиоды - приёмник оптического излучения, который преобразует попавший на его чувствительную область свет в электрический заряд за счёт процессов в p-n-переходе. При затемнении фотодиод проводит очень маленький ток - около 1 нА который может возрасти до 1 мА если его засветить. При обратной полярности включения, между областями p и n, возникает потенциальный барьер, изолирующий их друг от друга. Проникая в полупроводниковый слой, свет создает положительные и отрицательные заряды. Поскольку диод включен в обратном направлении, а противоположные заряды притягиваются, то к аноду идут положительные заряды, а к катоду - отрицательные. Свет создает эти заряды и в случае, если к диоду не подведено напряжение. Тогда на выходах диода появляется разность потенциалов, и он работает как фотоэлемент, такая схема включения фотодиода в схему называется фотогальваническая.

Фототранзисторы - содержит два p-n перехода, образованные двумя эквивалентными диодами, один из которых включен обратно. Если осветить полупроводниковый кристалл транзистора, то можно получить высокочувствительный приемник.

Как и диоды, каждый транзистор является фоточувствительным элементом, именно поэтому транзисторы, так же как и интегральные схемы, покрывают не прозрачным материалом, если не помещают в металлический корпус.

Фототранзистор целесообразно применять при работе на частотах, не превышающих 100 кГц. Выпускаются фототранзисторы, как в двухвыводном, так и в трехвыводном варианте, базу используют очень редко, поскольку это приводит к снижению чувствительности. Характеристика чувствительности к освещенности фототранзистора менее линейная, чем у фотодиода.

Фотоэлектронный умножитель - электровакуумный прибор , в котором ток фотоэлектронной эмиссии фотокатода усиливается умножительной (диодной) системой посредством вторичной электронной эмиссии.

Для рентгеновского излучения используются особые приемники, которые условно можно разделить на две группы - приемники, предназначенные для визуализации скрытого рентгеновского изображения. (рентгеновские пленки, люминесцирующие экраны, ПЗС-матрицы и т.п.) и детекторы для регистрации интенсивности и спектра рентгеновского излучения (газовые, полупроводниковый, сцинтилляционные детекторы). Для каждого приемника, в зависимости от целей его использования, определяются характеристики по чувствительности, пропускающему и динамическому диапазонам.

Детекторы ядерных излучений - это приборы для регистрации альфа- и бета- частиц, рентгеновского и гамма-излучения, нейтронов, протонов и т.д. Служат для определения состава излучения, измерения его интенсивности и спектра энергии частиц, изучения процессов взаимодействия быстрых частиц с атомными ядрами и процессов распада нестабильных частиц. Для детектирования г-излучений используются такие приборы, как камера Вильсона, диффузионная, пузырьковая или искровая камера, ядерные фотографические эмульсии. Действие всех детекторов ядерного излучения основано на ионизации или возбуждении заряженными частицами атомов вещества, заполняющего рабочий объем приемника.

По агрегатному состоянию активного вещества, которое воспринимает излучение, детекторы можно разделить следующим образом:

· Газовые

· Твердотельные

В газовых приемниках происходит ионизация газа, при которой в рабочем теле вызывается электрический заряд. Такие приемники называются счетчиками фотонов, т.к. в них регистрируется импульс тока или напряжения. Также существуют газовые детекторы, регистрирующие увеличение объема газа, нагреваемого полученным излучением и называемые оптико-акустическими приемниками. Применяются для регистрации ИК-излучения.

Наиболее распространенными и точными являются приемники излучения из чувствительного твердого вещества. Твердотельные детекторы в свою очередь можно разделить на отдельные классы по принципу действия:

1. Тепловые

В механизме преобразования энергии в тепловых детекторах основную роль играет нагрев вещества излучением. На тепловом принципе действия основана работа следующих приборов:

· Болометры - детекторы, у которых при поглощении излучения меняется сопротивление электрического тока;

· Термоэлементы - приемники, в которых реакция на нагрев излучением состоит в появлении термо-ЭДС;

· Приемники, изготавливаемые из кристаллов-сегнетоэлектриков - при взаимодействии с излучением на их поверхности появляется статический электрический заряд

2. Фотоэлектрические

Работа детекторов данного типа основана на непосредственном взаимодействии падающего излучения на электроны вещества-приемника. Фотоэлементы и фотоэлектронные умножители используются для коротких волн (менее 1-2 мкм), принцип их действия основан на внешнем фотоэффекте или фотоэлектронной эмиссии. Фотосопротивления и фотодиоды с внутренним фотоэффектом, чувствительны к излучению с длиной волны вплоть до миллиметрового диапазона ЭМ-волн.

При рассмотрении короткой области спектра могут быть использованы фотоэлектронные умножители и полупроводниковые лавинные фотодиоды, работающие в режиме счетчиков фотонов. В ИК- и миллиметровом диапазонах применяют детекторы, в которых фотоны не изменяют концентрацию электронов проводимости в твердом теле, но либо влияют на подвижность электронов и ионов, либо оказывают давление на электроны путем передачи им импульса.

Фотоэлектрические детекторы для инфракрасного излучения с длинной волны 5 - 1000 мкм требуют охлаждения твердого фотокристалла до температуры от 5 до 80 К. При этом рабочая температура зависит от длины волны регистрируемого излучения: чем больше длина исследуемого излучения, тем ниже должна быть температура кристалла. Для хорошего охлаждения рабочего тела используют либо хладагенты, такие, как жидкий азот, либо охлаждающие устройства, например элемент Пельтье или камера Стирлинга. При низких температурах для приема излучения используется явление сверхпроводимости и связанные с ним эффекты.

Детекторы могут быть одноэлементными и многоэлементными. В приемниках излучения второго типа отдельные элементы непрерывно или дискретно распределены по поверхности и служат для получения двухмерного изображения излучающего объекта.

Важными параметрами для всех детекторов, независимо от принимаемого излучения, является отношение полезного сигнала к уровню помех, коэффициент преобразования и чувствительность.

Уровень помех не должен существенно ухудшать полезный сигнал, поэтому для уменьшения шумов используют различные схемы компенсации сторонних сигналов.

Коэффициент преобразования и пороговая чувствительность важны в первую очередь для практических целей. Чувствительность - это величина минимального сигнала, обнаруживаемого детектором. В наиболее качественных счётчиках и фотоумножителях чувствительность такова, что позволяет регистрировать отдельные фотоны падающего излучения.

1.3.2 Особенности детектирования ИК-излучения

Инфракрасное излучение имеет широкий диапазон длин волн (10^-3 м - 7,8х10^-7 м) и занимает место между радиоволнами и видимым излучением в шкале ЭМВ.

ИК-волны могут использоваться для получения и обработки информации о нагретых объектах, а также для воздействия на материальные среды. Информационное применение заключается в обнаружении собственного излучения, рассеянного или отраженного объектом при его освещении.

В качестве детекторов ИК-излучения могут быть использованы различные устройства с газообразной или твердотельной активной средой в зависимости от принимаемого диапазона волн и требуемой точности.

По природе взаимодействия электронов и «дырок» в фотоприемниках, детекторы подразделяется на следующие типы:

· собственные детекторы;

· примесные детекторы.

Второй класс детекторов ИК-излучения - тепловые детекторы. В тепловом детекторе поглощаемое излучение изменяет температуру материала, при этом регистрируется изменение некоторых физических свойств, которое и используется для генерации выходного сигнала.

Сигнал не зависит от фотонной природы падающего излучения, поэтому выходной сигнал в первую очередь зависит от мощности излучения (или скорости её изменения), а не от его спектрального состава. В пироэлектрических детекторах измеряется изменение внутренней электрической поляризации, в термисторных болометрах регистрируется изменение электрического сопротивления.

В отличие от фотоприёмников, которые работают по принципу собственной проводимости, тепловые детекторы могут использоваться при комнатной температуре. Недостатками тепловых приемников являются невысокая чувствительность и большая инерционность, преимуществами - значительно меньшая цена и удобство в эксплуатации.

В зависимости от поставленных задач, может быть выбран одноэлементный или многоэлементный приемник. В настоящее время наиболее распространенными являются многоэлементные детекторы, которые способны создавать двухмерное изображение объекта и преобразовывать его, а также реализовывать счет отдельных фотонов.

Для получения точной и наиболее полной информации об излучении используются твердотельные фотоприемники, которые имеют низкий уровень шумов, большой коэффициент восприимчивости и высокую чувствительность. В качестве твердотельных приемников используются различные фотоматериалы, самыми распространенными из которых являются тройные твердые растворы - халькогениды свинца и ртути: сплавы КРТ (кадмий, ртуть, теллур) и СОТ (свинец, олово, теллур). Такие детекторы имеют широкий диапазон измерений спектра ИК-волн (1,5 - 14 мкм) и удовлетворяют самым высоким требованиям по качеству преобразования принимаемого сигнала. электромагнитный детектор волна

Существуют и двойные твердые растворы, способные воспринимать падающее излучение, однако они имеют более узкую полосу пропускания, большую ширину запрещенной зоны и высокий уровень шумов, т.к. разогреваются в процессе синтеза фотоэлектронов в полупроводнике. Основные типы полупроводниковых фотоприемников инфракрасного излучения представлены в таблице 2.

Таблица 1.2. Типы полупроводниковых детекторов ИК-излучения.

Тип	Переходы	Тип электрического выходного сигнала	Примеры
Собственные	Межзонные	Фотопроводящий	PbS, PbSe, InSb, CdHgTe
		Фотовольтаический	InSb, InAs, PbTe, CdHgTe, PbSnTe
Собственные	Межзонные	Емкость	InSb, CdHgTe
		ФЭМ	InSb, CdHgTe
Примесные	Примесь-зона	Фотопроводящий	Si: In, Si: Ga, Ge: Cu, Ge: Hg
На свободных носителях	Внутризонные	Фотопроводящий	InSb электронный болометр

Для ИК-излучения с длиной волны до 10-13 мкм используется твердый раствор Hg_(1-x)Сd_xTe, так как фотоэлементы на основе КРТ обладают высокой чувствительностью. Уникальными особенностями раствора кадмий-ртуть-теллура являются прямая запрещенная зона, возможность получать и низкую и высокую концентрацию носителей заряда, высокую подвижность электронов и низкую диэлектрическую постоянную.

КРТ-кристалл имеет малое изменение периода кристаллической решетки при изменении состава, что позволяет выращивать высококачественные многослойные структуры и элементы со ступенчатой шириной запрещенной зоны. Также использование кадмий-ртуть-теллуровых кристаллов дает возможность изготавливать многоэлементные линейные и двумерные матрицы фотодетекторов, чувствительных в спектральном диапазоне от 10 до 12 мкм при температуре 77 К и в диапазоне 4-6 мкм при температуре 220 К. Для проведения исследований с помощью КРТ-детекторов необходимо обеспечить охлаждение самого кристалла. Снижение температуры до 77-220 К осуществляется с помощью жидкого азота.

Для более дальней инфракрасной области используются СОТ-кристаллы. Детекторы с свинец-олово-теллуровым элементом обладают спектральной чувствительностью в диапазоне 8-13 мкм и не уступают в эффективности работы традиционным твердым растворам.

Данный вид фотокристаллов является более чувствительным к ИК-излучению длинных волн и является наиболее современной разработкой в области детектирования ЭМ-волн.

Рабочие характеристики ИК-фотодетекторов определяются следующими основными свойствами используемого полупроводника:

· шириной запрещенной зоны,

· собственной концентрацией,

· подвижностями электронов и дырок,

· коэффициентом поглощения,

· скоростями тепловой генерации и рекомбинации.

1.3.3 Принцип действия и особенности КРТ-детектора

Основным полупроводниковым материалом для приемников ИК-излучений на диапазоны длин волн 314 мкм является твердый раствор теллуридов кадмия и ртути (КРТ). Главными преимуществами над другими фотоприемниками КРТ являются возможность изменения ширины запрещенной зоны с помощью изменения состава твердого раствора, что обеспечивает высокую чувствительность в широком спектральном диапазоне, и широкий диапазон рабочих температур от 77K до 300K.

КРТ-кристаллы являются полупроводниками, поэтому характеризуются периодами генерации и рекомбинации (рисунок 1.4).

Рисунок 1.5. Процесс возникновения собственной электропроводности в проводнике.

Под действием фотонов происходит генерация - получение свободных электронов, которая возможна в случае, когда энергия фотонов достаточна для создания пары электрон-дырка. То есть энергия фотона, необходимая для образования пары, должна превышать ширину запрещенной зоны. Генерация может быть тепловой, фотоэлектрической или корпускулярной.

Рекомбинация - это процесс возвращения электрона в валентную зону. Таким образом при рекомбинации и электрон и «дырка» исчезают из соответствующих зон - происходит их аннигиляция. В процессе рекомбинации выделяется энергия, равная разности между исходным энергетическим состоянием электрона и конечным. Характер выделения энергии является одним из критериев классификации процессов рекомбинации. Рекомбинация называется излучательной, если разность энергий выделяется в виде фотона и безизлучательной, если энергия передается одному или нескольким фононам.

Существуют различные механизмы рекомбинации (рисунок 1.6), такие как

· Рекомбинация «зона - зона», когда электрон переходит напрямую из зоны проводимости в вакантное место в валентной зоне.

· Рекомбинация через центры рекомбинации. При этом генерация происходит с участием «ловушки», в качестве которой используется примесный атом или иной структурный дефект кристалла, создающий энергетический уровень в запрещенной зоне. Если ловушка занята электроном, то она уже не может захватить второй электрон. Электрон, занявший ловушку, может перейти в вакантное состояние в валентной зоне, завершив, тем самым, процесс рекомбинации.

Оже-рекомбинация, при которой выделяемая энергия передается другому электрону или дырке. Это процесс отличается от рассмотренных видов рекомбинации. Оже-рекомбинация включает три частицы - две рекомбинирующие по механизму “зона-зона” и третью, получающую энергию.

Рисунок 1.6. Различные схемы генерации и рекомбинации носителей заряда: а)генерация и рекомбинация «зона - зона»; б)Оже-рекомбинация; в)генерация и рекомбинация через центры рекомбинации

Время генерации и рекомбинации в КРТ-кристалле влияет на характеристики самого детектора наравне с шириной запрещенной зоны, коэффициентом поглощения, подвижностью электронов и дырок.

С точки зрения восприимчивости падающего ИК-излучения важно обратить внимание на оптические свойства КРТ, а именно - на степень поглощения волн. Фотоэлемент HgCdTe исследован при значениях энергии порядка ширины запрещенной зоны при оптической генерации носителей.

До сих пор появляются значительные несоответствия между известными данными относительно значений коэффициента поглощения. Коэффициент поглощения существенно зависит от качества кристалла (концентрации собственных дефектов и примесей, неравномерности состава и легирования, неоднородности толщины образца, механической деформации и различных способов обработки поверхности и пр.). В высококачественных образцах измеренное поглощение в коротковолновой области спектра находится в хорошем согласии с рассчитанным по модели Кейна, в то время как на длинноволновой границе появляется экспоненциальный хвост.

Измерение коэффициента поглощения является одним из методов для определения состава КРТ и его распределения в объемных кристаллах и эпитаксиальных слоях. Как правило, для толстых (>0.1 мм) образцов используется уровень поглощения 0.5% или 1% для верхней граничной длины волны, для тонких образцов метод измерения поглощения не используется.

Помимо коэффициента поглощения на свойства КРТ влияют легирующие примеси. Так легирование полупроводника примесью р-типа увеличивает поглощение благодаря снижению заполнения зоны.

В ИК-детекторах происходит поглощение падающего излучения в результате взаимодействия с электронами, которые связаны с атомами кристаллической решетки, примесными атомами или со свободными электронами. Получаемый выходной сигнал обусловлен изменением энергетического распределения электронов.

Приемники инфракрасного излучения обладают высоким быстродействием и хорошими пороговыми характеристиками при условии охлаждения фотоэлемента HgCdTe до криогенных температур. Охлаждение необходимо для уменьшения тепловой генерации носителей заряда, т.е. для исключения собственного излучения КРТ. Отсутствие охлаждения фотоэлемента в детекторе приводит к большому уровню шума и соответственно к ошибочному результату. Структура КРТ приемника является стандартной для детекторов любой конструкции и представлена на рисунке 1.7.

Рисунок 1.7. Структура кадмий-ртуть-теллурового фоторезистора

Основной частью представленной структуры является слой твердого раствора HgCdTe толщиной 3-20 мкм с выведенными контактами. Оптимальная толщина активной области зависит от рабочей температуры и выбирается относительно коэффициента оптического поглощения. Активный кристалл должен иметь толщину меньше диффузионной длины неосновных носителей заряда, чтобы исключить преобладание рекомбинации носителей заряда на поверхности КРТ-элемента.

Для получения высокой точности измерений и минимизации шума необходимо ограничить скорость рекомбинации. Для этого выполняется специальная обработка поверхности, предотвращающая отток носителей заряда на поверхность кристалл с помощью ее слабого обогащения. Одним из методов получения обогащенной поверхности с низкой скоростью рекомбинации является собственный оксид на верхней поверхности, полученный анодным окислением.

Верхняя поверхность обычно покрывается пассивирующим слоем и антиотражающим покрытием. Также пассивируется поверхность с обратной стороны приемника.

Для увеличения поглощения излучения детекторы иногда снабжаются тыльным золотым отражателем, изолированным от фоторезистора слоем ZnS или подложкой. В случае, когда в детекторе отсутствует отражатель, приемник соединяют с теплопроводящими подложками напрямую.

Над фоторезистором на расстоянии 2-5 мм устанавливается атмосферное окно, выполненное из высококачественного кварцевого стекла, которое не ухудшает обнаружительную способность излучения. Таким образом, фоторезистор способен использовать большую часть излучения, проходящего через атмосферное окно, в диапазоне, который соответствует спектральной чувствительности HgCdTe, т.е. длины волн от 8 мкм до 14 мкм.

В КРТ-детекторах могут быть установлены различные виды фоточувствительных элементов:

· С запирающими контактами;

При этом запирающие контакты фотоэлемента в подконтактной области обрабатываются ионами аргона, чтобы избежать возникновения отрицательно заряженных дефектов в данной зоне.

· С частично затененной площадкой;

Фоточувствительный элемент покрывается непрозрачной металлической шторкой поверх защитного диэлектрического просветляющего покрытия верхней части площадки. Благодаря затенению увеличивается время пролета носителей, вследствие чего возрастает вольтовая чувствительность.

Таким образом, кадмий-ртуть-теллуровые детекторы обладают наиболее высокими характеристиками среди приемников ИК-излучения, так как имеют широкий диапазон воспринимаемых инфракрасных волн, большую полосу пропускания, низкий коэффициент поглощения, высокую подвижность электронов и прочее. Помимо этого, благодаря современной науке, были устранены недостатки неоднородности кристалла, усовершенствованы технологии выращивания КРТ-элемента и конструкции самого приемника.

Совокупность фундаментальных свойств твердого раствора HgCdTe и его физические и технологические характеристики делают КРТ-детекторы наиболее привлекательными для исследования спектра ИК-излучения, поэтому являются популярными как в научной, так и в промышленной областях.



2. ИССЛЕДОВАНИЕ ДИНАМИЧЕСКИХ ПРОВОДЯЩИХ СВОЙСТВ ИК-СВЕТОВОДОВ ИЗ ГАЛОГЕНИДОВ СЕРЕБРА С ПОМОЩЬЮ КРТ-ДЕТЕКТОРА

2.1 Постановка основных задач исследования

Главной задачей исследования является изучение динамических характеристик КРТ-детектора и ИК-световода из галогенидов серебра. В качестве центральной характеристики была принята воспринимающая способность кадмий-ртуть-теллурового детектора.

Для исследования воспринимающей способности теллурида кадмия и ртути и динамических свойств галогенидов серебра были выделены три задачи:

· Изучение зависимости воспринимающей способности КРТ-детектора от интенсивности ИК-излучения;

· Сравнение влияния непрерывного и импульсного режимов передачи ИК-излучения на воспринимающую способность КРТ-детектора;

· Сравнение пропускных способностей ИК-световодов различных составов и изучение их влияния на передаваемое излучение в непрерывном и импульсном режимах работы;

Исследование двух режимов работы КРТ-детектора и ИК-световода - непрерывного и импульсного - позволят определить наиболее эффективный режим работы КРТ и исследовать динамические характеристики световода при постоянном и прерываемом сигналах.