Решение основных задач требует дополнительного изучения динамических свойств КРТ и операционного усилителя, с целью исключения влияния их динамики на основные результаты исследования характеристик световодов из галогенидов серебра. Таким образом, появляются вспомогательные задачи:

· Исследование линейности частотных свойств кадмий-ртуть-туллурового детектора;

· Построение амплитудо-частотной характеристики (АЧХ) для импульсного режима работы КРТ.

Результаты решения этих вспомогательных задач позволят определить линейную область зависимости амплитуды напряжения от частоты импульсов, уточнить АЧХ ИК-световода в линейной области и наиболее удачно подобрать начальные параметры для изучения динамических характеристик.

2.2 Выбор основного и вспомогательного оборудования

Для решения поставленных задач необходимо следующее основное оборудование:

· Источник излучения

· ИК-световод

· Затеняющее устройство для создания импульсного сигнала

· КРТ-детектор

· Операционный усилитель

· Приемник выходного сигнала

· ПК с установленным программным обеспечением для обработки данных

Для подключения и контроля основных устройств и измерений потребуется вспомогательное оборудование, такое как:

· Источники постоянного тока (Блоки питания)

· Мультиметр

· Стробоскоп

· Штативы, зажимы, кабели

Выбор и параметры основного оборудования для проведения исследования:

1) Источник излучения.

Для исследования влияния интенсивности ИК-излучения требуются устройства, испускающие инфракрасные волны с условно равной длиной волны, но имеющие различную температуру. Таким образом, в качестве источников были выбраны:

· Лампа накаливания;

· Элемент Пельтье.

В опытах использовалась лампа накаливания мощностью 40 Вт, температура поверхности которой равна 100⁰С. Лампа устанавливалась в цоколь настольной лампы и располагалась на расстоянии 20 см от КРТ-кристалла детектора.

Вторым источником ИК-излучения является элемент Пельтье, созданный Инновационно-внедренческим центром «Центр инфракрасных волоконных технологий» при Химико-Технологическом институте УрФУ имени первого президента России Б.Н.Ельцина.

Элемент Пельтье - это полупроводниковый термоэлектрический преобразователь, состоящий из двух полупроводников разного вида: один p-, второй n-типа, соединенных металлическими (медными) перемычками (рисунок 2.1).

Рисунок 2.1. Конструкция элемента Пельтье.



Принцип действия элемента основан на возникновении разности температур при протекании постоянного электрического тока через медные пластинки и полупроводники. В зависимости от направления тока одна сторона элемента Пельтье будет нагреваться, вторая - охлаждаться. Такой эффект обусловлен разными уровнями энергии электронов в зоне проводимости полупроводников: чтобы электрон смог перейти из одного полупроводника в более высокоэнергетическую зону проводимости другого полупроводника, ему необходимо поглотить энергию протекающего тока (постоянного тока питания). При этом происходит охлаждение места контакта полупроводника и пластинки, к которой подключено питание, и нагревание противоположного соединения p- (или n-) проводника и медной подложки, т.к. электрон отдает ей полученную ранее энергию. Таким образом, элемент Пельтье имеет горячую и холодную стороны, которые могут меняться местами в зависимости от направления тока.

Элемент Пельтье подключается к источнику постоянного питания, на котором устанавливается сила тока и напряжение. Регулирование температуры осуществляется изменением силы подаваемого тока, при этом происходит постепенное изменение напряжения с ростом (понижением) температуры.

При проведении опыта, на элемент Пельтье подавался постоянный ток силой 0,8 А, которому соответствует температура 70-74⁰С горячей стороны. Сам элемент устанавливался на штатив, обращенный горячей стороной к КРТ-детектору на расстоянии 10-12 см.

И лампа, и элемент Пельтье в указанном диапазоне температур будут излучать ИК-волну длинной 7-8 мкм с различной интенсивностью, чем обеспечивается чистота эксперимента по исследованию зависимости воспринимающей способности КРТ-детектора от интенсивности ИК-излучения.

2) ИК-световод.

Для исследования воспринимаемого излучения КРТ-детектором и динамических характеристик ИК-световода, необходимы проводники излучения разных составов. Для эксперимента были выбраны инфракрасные световоды из галогенидов серебра составов AgCl_0.25Br_0.75 и AgCl_0.55Br_0.45.

3) Затеняющее устройство для создания импульсного сигнала.

Чтобы исследовать динамику ИК-световодов и работу КРТ-детектора в импульсном режиме, необходимо воссоздать прерывающееся инфракрасное излучение. Для этого выбрана металлическая крыльчатка диаметром 10 см с шестью лопастями, покрытая черной краской, прикрепленная к двигателю постоянного тока с максимальным напряжением 12 В. Так как частота вращения крыльчатки с использованием данного двигателя не превышает 1300 об/мин, для исследования частотных характеристик КРТ-детектора производилась замена двигателя на более мощный, обеспечивающий частоту вращения до 4000 об/мин с напряжением питания до 6 В.

4) КРТ-детектор.

Приемники инфракрасного излучения типа КРТ являются наиболее точными среди ИК-детекторов, имеют низкий уровень шума и широкую полосу пропускания.

Для эксперимента был выбран КРТ-детектор, выполненный в форме сосуда Дьюара с охлаждением жидким азотом, произведенный компанией InfraRed Associates, Inc, США, марка - MCT-13.001, серия - Фурье.

Выбранный детектор имеет небольшие размеры, устанавливается вертикально, имеет в нижней части сосуда окно для приема ИК-излучения. КРТ-детектор типа MCT-13.001 предназначен для измерения ИК-волн длиной 4-13 мкм. В нижней части сосуда Дьюара расположено вертикальное окно, за которым находится КРТ-кристалл размером 1х1 мм. Геометрические размеры и расположение элементов детектора представлены на рисунке 2.2.



Рисунок 2.2. Схема расположения элементов детектора MCT-13.001

5) Операционный усилитель

КРТ-детектор не имеет встроенного усилителя сигнала, поэтому при работе с приемником требуется подключать операционный усилитель напряжения. ОУ подключается к источнику постоянного тока с напряжением до 15В и присоединяется с помощью BNC-кабеля к детектору. Сам КРТ-детектор не имеет питания, поэтому является нагрузкой усилителя. При падении ИК-излучения на фотоэлемент детектора, меняется его сопротивление в диапазоне от 20 до 100 Ом, при этом изменяется и выходное напряжение усилителя. Сигнал с усилителя при подключенном детекторе в отсутствии излучения равен 0,157 В.

В комплект детектора MCT-13.001 был включен предусилитель MCT-1000, также произведенный компанией InfraRed Associates, Inc, США (рисунок 2.3).

Рисунок 2.3. Предусилитель операционный марки MCT-1000

Данный операционный усилитель специально разработан для увеличения выходного сигнала КРТ-детектора. Особенностями усилителя являются низкий уровень шума, высокий коэффициент усиления, регулируемое напряжение смещения.

Настройка ОУ MCT-1000 осуществляется перед началом работы с помощью регуляторов ZERO, BIAS, GAIN. Параметр ZERO предназначен для регулирования уровня шумового напряжения. Его настройка производится однократно, при первом подключении усилителя к блоку питания. BIAS - смещение напряжения, настраивается для смещения сигнала выходного напряжения в определенную фазу. Поставленные ранее задачи не требуют смещения напряжения, поэтому данный параметр настраивался на нулевое смещение. GAIN - коэффициент усиления, способен увеличить выходной сигнал от 50 до 1000 раз. Так как значения выходного сигнала напряжения при проведении данного эксперимента имеют порядок милливольт, параметр GAIN настраивался на максимальное усиление сигнала. Выходной сигнал операционного усилителя MCT-1000 - это переменное напряжение, зависящее от сопротивления детектора, а, следовательно, и от интенсивности принимаемого излучения.

6) Приемник выходного сигнала

Для отображения выходного переменного напряжения с предусилителя, выход MCT-1000 с помощью BNC-кабеля подключается к осциллографу OWON серии PDS-6062 (рисунок 2.4).

Рисунок 2.4. Передняя панель осциллографа OWON серии PDS-6062

Осциллограф - это устройство, показывающее изменения входного напряжения с течением времени. Осциллографы используются для исследования различных параметров как постоянного, так и переменного тока по изменяющейся амплитуде, частоте или фазе входного сигнала.

Осциллограф OWON серии PDS-6062 имеет 2 канала для приема сигнала от внешних устройств, обладает широкой полосой пропускания, раной 60 МГц, и высокой частотой дискретизации - 250 МГц, отображает входные сигналы переменного и постоянного тока (в зависимости от настроек канала) на ЖК-дисплее, автоматически измеряет 5 параметров и позволяет сохранять осциллограммы в одной из четырех ячеек памяти.

Использование осциллографа OWON для исследования удобно широким диапазоном настройки отображения сигнала. OWON позволяет выбрать вид входного сигнала, величину пробы принимаемого тока (т.е. коэффициент масштабирования графика при отображении по вертикальной оси), дает возможность регулирования временного диапазона, в котором будет показано изменение параметров (т.е. коэффициент масштабирования графика по вертикальной оси). Для исследования воспринимающей способности КРТ-детектора и динамических свойств ИК-световодов необходим приемник, отображающий самые малые изменения тока. Осциллограф OWON позволяет проводить измерения в милливольтовой области с временным промежутком до микросекунд, удовлетворяя требованиям исследования.

7) ПК с установленным программным обеспечением для обработки данных.

Осциллограф OWON отображает изменения напряжения с течением времени, однако для анализа полученных результатов, требуются точные значения параметров в характерных точках осциллограммы.

Производители осциллографов OWON разработали собственное программное обеспечение для обработки диаграмм на ПК, которое находится в свободном доступе на сайте компании. Для работы с устройством OWON PDS-6062 были установлены драйверы для передачи данных по USB-каналу и ПО Oscilloscope для отображения осциллограмм и сохранения точек графика в таблицу MS Excel.

Параметры основного оборудования определили требования к выбору вспомогательных устройств. Таким образом, для дополнения экспериментальной установки было выбрано следующее вспомогательное оборудование:

1) Источники постоянного тока

Для питания предусилителя MCT-1000, элемента Пельтье и двигателя крыльчатки требуются источники постоянного тока с регулируемым напряжением и силой тока.

Для предусилителя MCT-1000 требуется напряжение постоянного тока до 15В, которое устанавливается однократно при начале работы с КРТ-детектором и остается неизменным для всех опытов и измерений, поэтому для ОУ использовался отдельный источник питания YIZHAN (рисунок 2.5).

Рисунок 2.5. Источник постоянного тока YIZHAN

Данный блок питания работает от напряжения 220 В, позволяет регулировать выходное напряжение в пределах от 0 до 30 В при выходной силе тока от 0 до 5 А. Изменение напряжения осуществляется с помощью поворотных регуляторов, расположенных на лицевой панели блока питания.

Так как напряжение питания ОУ MCT-1000 устанавливалось однократно на уровне 8,5 В перед началом эксперимента и не требовало последующего изменения, источник постоянного тока YIZHAN используется для питания только предусилителя.

Также источники постоянного тока требуются для питания двигателя крыльчатки и элемента Пельтье. Двигатель крыльчатки должен быть подключен к источнику, который позволяет менять напряжение в диапазоне 0-12 В для переключения режимов работы крыльчатки (увеличения частоты вращения). Температура горячей стороны элемента Пельтье зависит от силы тока, которая подается на медные пластинки элемента. Таким образом, источник питания элемента должен позволить регулировку силы тока для достижения нужной температуры, обеспечивая при этом изменение потребляемого напряжения.

Для удовлетворения требований крыльчатки и элемента Пельтье был выбран программируемый линейный источник питания с тремя выходными регулируемыми каналами GW Instek серии PPT-1830 (рисунок 2.6)

Рисунок 2.6. Программируемый источник питания GW Instek.

Источник постоянного тока Instek PPT-1830 имеет три группы клемм для подключения оборудования: первые две пары используются для питания устройств с напряжением до 36 В постоянного тока, третья - для питания приборов до 5 В.

Главным преимуществом данного источника является его программируемость: блок питания Instek серии PPT-1830 позволяет менять напряжение и силу тока на каждом выходе в отдельности. Таким образом, источник питания Instek позволяет осуществлять индивидуальное регулирование тока и напряжения каждого из приемников.

Так как двигатель крыльчатки требует широкого диапазона напряжений, он был подключен к первой паре клемм. Элемент Пельтье был запитан от второй группы, что позволяет обеспечить произвольное изменение напряжения при росте температуры горячей стороны.

2) Мультиметр

Для настройки и контроля оборудования перед проведением опытов, а также для контроля измеряемых параметров, использовался мультиметр.

Мультиметр - это измерительный прибор, объединяющий в себе функции вольтметра, амперметра и омметра.

При проведении эксперимента использовался мультиметр Electraline 58202, позволяющий измерять параметры постоянного и переменного тока в широком диапазоне значений (рисунок 2.7).

Рисунок 2.7. Мультиметр Electroline с входящими в комплект измерительными проводами

3) Стробоскоп

При проведении эксперимента, для осуществления импульсного режима, использовалась крыльчатка. Для обработки результатов, полученных в данном режиме, необходимо знать частоту вращения крыльчатки, для определения которой требуется тахометрическое устройство.

В качестве тахометра для измерения частоты, использовался стробоскоп с широким диапазоном измеряемой частоты - от 100 до 8000 об/мин (рисунок 2.8).

Рисунок 2.8. Стробоскоп трехшкальный с тремя режимами измерения частоты

Данное тахометрическое устройство позволяет измерять частоту в шести режимах, которые определяют коэффициент умножения частоты для выбранной шкалы.

Для исследований воспринимающей способности КРТ-детектора и динамических свойств световодов из галогенидов серебра необходима частота вращения крыльчатки менее 8000 об/мин. Таким образом, данный стробоскоп может быть использован для измерения частоты.

4) Штативы, зажимы, кабели.

Последняя группа вспомогательных устройств включает в себя все механические конструкции, необходимые для установки и фиксации основного оборудования, а также все кабели для питания, приема и передачи данных.

Для установки элемента Пельтье на уровне фотоэлемента использовался вертикальный штатив. Для фиксации световода в горизонтальном положении на уровне КРТ-элемента, использовалась специальная стойка, регулируемая по высоте и обеспечивающая неподвижность световода.

Подключение основного оборудования к источникам постоянного тока осуществлялось с помощью медных кабелей с пвх изоляцией типа ВВГ, передача данных с предуселителя MCT-1000 на осциллограф OWON осуществлялась с помощью BNC-кабеля, коммуникация осциллографа и ПК выполняется по USB-кабелю.

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

Для исследования воспринимающей способности КРТ-детектора и динамических характеристик ИК-световода была собрана экспериментальная установка, имеющая разную комплектацию в зависимости от задачи проведения опыта.

Градация и порядок проведения экспериментов схематически изображены на рисунке 2.9.

Рисунок 2.9. Классификация экспериментов

В зависимости от проводимого эксперимента менялась схема самой установки: добавлялись или отключались некоторые основные устройства. Пример экспериментальной установки по исследованию импульсного режима воспринимающей способности КРТ-детектора при лампе накаливания как источнике излучения представлен на рисунке 2.10.

Рисунок 2.10. Экспериментальная установка для исследования импульсного режима излучения с использованием в качестве источника лампы накаливания 40 Вт.

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

Для изучения зависимости воспринимающей способности фотоэлемента КРТ-детектора от интенсивности излучения были взяты два источника ИК-волн: лампа накаливания 40 Вт и элемент Пельтье.

Лампа накаливания питается от сети (~220 В) и имеет температуру поверхности ?100⁰С. Элемент Пельтье подключается к источнику постоянного тока GW Instek ко второй паре клемм, на которую подается постоянный ток с силой 0,8 А и напряжением до 6 В. Такое значение силы тока обеспечивает нагревание горячей стороны элемента до температуры 70-74⁰С. При данных температурах длина ИК-волны равна 7-8 мкм.

Для исследования влияния интенсивности излучения на воспринимающую способность в первом случае источником излучения была взята лампа, во втором случае - элемент Пельтье, остальные элементы экспериментальной установки оставались неизменными.

Излучение принимается КРТ-детектором и через предусилитель MCT-1000 передается на осциллограф. Так как детектор является фоторезистивным приемником излучения, при приеме ИК-волн КРТ меняет свое сопротивление. Изменение сопротивления сопровождается изменением напряжения на выходе из MCT-1000, поэтому сигнал, принимаемый осциллографом, будет отображаться как изменение напряжения с течением времени.

Схемы установки и полученные результаты представлены в таблице 2.1.

Таблица 2.1. Исследование воспринимающей способности КРТ-детектора в зависимости от интенсивности ИК-излучения.

Наименование опыта	Температура источника ИК-излучения, 0C	Изображение экспериментальной установки	Графики изменения напряжения с течением времени
Исследование воспринимающей способности КРТ-детектора с лампой накаливания 40 Вт	100
Исследование воспринимающей способности КРТ-детектора с источником излучения - элементом Пельтье	70

2.3.2. Решение вспомогательных задач для выделения линейной области зависимости динамических свойств КРТ-детектора от частоты импульсов ИК-излучения

Вспомогательными задачами, решение которых требуется для выбора частотных диапазонов импульсного режима в исследовании динамических характеристик КРТ-детектора и ИК-световодов из галогенидов серебра, являются:

· Исследование линейности частотных свойств кадмий-ртуть-туллурового детектора;

· Построение амплитудо-частотной характеристики (АЧХ) для импульсного режима работы КРТ.

Решение этих задач необходимо выполнить перед исследованием импульсного режима работы оборудования, т.к. без определения линейной области зависимости воспринимающей способности КРТ от частоты крыльчатки невозможно исследование динамических свойств кадмий-ртуть-теллурового фотоэлемента и световодов из галогенидов серебра.

Для исследования линейности частотных свойств необходимо рассмотреть зависимость принимаемого КРТ-детектором излучения от частоты импульсов ИК-волн. Для этого производилось изучение зависимости и исследование характера изменения напряжения, выводимого с ОУ MCT-1000, от частоты крыльчатки.

Чтобы получить полное представление о зависимости напряжения от частоты крыльчатки, необходимо исследовать амплитуды напряжения в непрерывном и импульсном режиме, причем импульсный режим должен осуществляться при различных частотах. Для этого был выбран диапазон частот от 400 об/мин до 4000 об/мин. Крыльчатка имеет 6 лопастей, таким образом, при переводе частоты в об/с (Гц) частота импульсов будет изменяться в диапазоне 40-400 Гц.

Результаты измерений в постоянном и импульсном режиме при разных частотах крыльчатки сведены в таблицу 2.2.. Таблица 2.2. Результаты измерения непрерывного и импульсного режимов при разных частотах крыльчатки

Изучая полученные графики, можно увидеть изменение амплитуды колебаний напряжения на выходе из предусилителя КРТ-детектора, а также явное изменение частоты этих колебаний в зависимости от частоты крыльчатки.

Если представить полученные зависимости колебаний напряжения во времени от частоты крыльчатки, получим АЧХ - амплитудо-частотную характеристику для КРТ-детектора (рисунок 2.11).

Рисунок 2.11. График зависимости колебаний напряжения во времени от частоты крыльчатки

На графике 2.1 можно выделить три области: псевдо линейная, переходная нелинейная и затухающая нелинейная.

Псевдо линейная область характерна совпадением частоты колебаний напряжения с частотой вращения крыльчатки. Кроме того, в данной области периоды генерации и рекомбинации кадмий-ртуть-теллурового фотоэлемента остаются постоянными, а, следовательно, и частота цикла генерации-рекомбинации является константой. Это говорит о том, что в данной области зависимость колебаний напряжения во времени от частоты крыльчатки - это и есть АЧХ для КРТ-детектора.

В данной области наблюдается увеличение амплитуды колебаний с увеличением частоты вращения, причем значение амплитуды напряжения в импульсном режиме выше, чем в непрерывном (рисунок 2.12)

Рисунок 2.12. Сравнение непрерывного и импульсного режимов

Наибольший коэффициент усиления амплитуды наблюдается при частоте крыльчатки 720 об/мин, после чего идет спад величины напряжения. Следовательно, 720 об/мин - это резонансная частота КРТ-детектора, на которой заканчивается псевдо линейная область. АЧХ линейной области для частот 240, 480 и 720 об/мин представлена в п.3.2. на рисунке 3.3.

Для исследования динамических характеристик КРТ-детектора и ИК-световодов из галогенидов серебра в импульсном режиме необходимы частоты крыльчатки, находящиеся в псевдо линейном области зависимости, поэтому выбираются частоты 240, 480 и 720 об/мин.

Переходная нелинейная область условно можно разделить на три части: первая характеризуется снижением амплитуды с сопутствующим увеличением частоты колебаний напряжения, вторая - резким уменьшением частоты колебаний с сохранением их амплитуды, третья - ростом и амплитуды, и частоты. Все три участка являются нелинейными, так как КРТ-элемент перестает сохранять периоды генерации-рекомбинации и исчезает линейная зависимость частоты колебаний сигнала от детектора от частоты вращения крыльчатки.

Третья область - затухающая нелинейная - характерна уменьшением амплитуды колебаний напряжения и увеличением частоты колебаний с ростом частоты вращения крыльчатки.

Таким образом, в результате решения вспомогательных задач, была получена частотная характеристика КРТ-детектора и определена линейная область зависимости амплитуды напряжения от частоты импульсов - диапазон частоты до 72 Гц, уточнена АЧХ ИК-световода в линейной области и выбраны значения частоты крыльчатки для исследования динамических характеристик КРТ-детектора и ИК-световодов из галогенидов серебра в импульсном режиме.

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

В данной части эксперимента необходимо сравнить два режима работы с двумя источниками ИК-излучения - провести четыре опыта.

Принципиальным отличием опытных установок в каждом из режимов является набор используемого оборудования. В каждом эксперименте использовались одинаковые приборы вторичного преобразования сигнала: КРТ-детектор, усилитель MCT-1000, осциллограф, ПК, но разные источники излучения и режимы работы:

1 Опыт: лампа накаливания 40 Вт и непрерывный режим работы КРТ-детектора;

2 Опыт: лампа накаливания и импульсный режим работы КРТ, при частоте импульсов 380 об/мин;

3 Опыт: элемент Пельтье и непрерывный режим работы КРТ-детектора;

4 Опыт: элемент Пельтье и импульсный режим работы КРТ-детектора с частотами импульсов 240, 480, 720 об/мин.

Для обеспечения указанных выше частот импульсов, на двигатель крыльчатки подавалось напряжение 3,5 В , 4 В, 5 В и 7 В, которым соответствуют частоты 240, 380, 480, 720 об/мин.

При проведении эксперимента крыльчатка была присоединена к двигателю с максимальным напряжением питания =12 В.

Результаты всех экспериментов сведены в таблицу 2.3.

Таблица 2.3. Сравнение влияния непрерывного и импульсного режимов передачи ИК-излучения на воспринимающую способность КРТ-детектора.

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

При рассмотрении третьей задачи центральным является исследование динамических свойств ИК-световодов из галогенидов серебра. Параллельно с этим необходимо продолжить изучение динамики КРТ-элемента при передаче ИК-излучения по световодам разных составов в непрерывном и импульсном режиме работы.

Для исследования были выбраны ИК-световоды из галогенидов серебра двух составов AgCl_0.25Br_0.75 и AgCl_0.55Br_0.45 (в дальнейшем «световод 1» и «световод 2»).

Чтобы изучить влияние на световод интенсивности излучения, аналогично предыдущим опытам, использовались два источника излучения: лампа накаливания и элемент Пельтье.

Для исследования импульсной проводимости ИК-световодов использовались оба источника излучения, а также крыльчатка с частотами вращения 240, 480 и 720 об/мин для элемента Пельтье и 400 об/мин для лампы накаливания. Изучение проводимости световодов из галогенидов серебра в непрерывном режиме с разной интенсивностью излучения и в импульсном режиме с переменной частотой импульсов необходимо для выявления особенностей проводимости световодов разных составов и определения оптимального режима передачи ИК-излучения.

Изучение воспринимающей способности КРТ-детектора при передаче энергии по световоду из галогенидов серебра в непрерывном и импульсном режимах позволит определить, сохранятся ли свойства излучения при его прохождении через волновод и будет ли наблюдаться усиление амплитуды напряжения в импульсном режиме передачи ИК-волны.

Проведенные опыты и их результаты представлены в таблице 2.4.

Таблица 2.4. Сравнение пропускных способностей ИК-световодов различных составов и изучение их влияния на передаваемое излучение в непрерывном и импульсном режимах работы

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

В ходе эксперимента по исследованию влияния интенсивности ИК-излучения на воспринимающую способность КРТ-детектора были получены результаты, представленные в п.2.3.1. таблице 2.1.

Чтобы сравнить результаты опытов, перенесем их на один график, изображенный на рисунке 3.1.

Рисунок 3.1. Сравнение воспринимающей способности КРТ-элемента при источниках излучения разной интенсивности.

По графику 3.1 можно увидеть, что зависимость напряжения от времени при источнике ИК-излучения - лампе накаливания имеет большое количество максимумов (пиков) и минимумов, т.е. обладает высокой степенью неоднородности. Эта неоднородность может быть обусловлена шумами, которые возникают из-за светового излучения. Несмотря на то, что КРТ-детекторы серии MCT-13.001 достаточно устойчивы к видимому излучению, в случае с лампой накаливания, волны видимого света будут вносить весомую долю в общее количество внешних шумов, таким образом, искажая и перебивая ИК-сигнал.

Тем не менее, общая амплитуда колебаний напряжения (колебания возникают из-за перемещений носителей зарядов внутри полупроводникового фотоэлемента при генерации и рекомбинации этих носителей) от источника ИК-волн - лампы накаливания составляет U_max= 2,64 В, что превышает максимум элемента Пельтье U_max= 2,2 В на 17%.

Таким образом, можно сделать вывод о непосредственном влиянии интенсивности ИК-излучения на воспринимающую способность КРТ-детектора:

Чем больше интенсивность падающего ИК-излучения, тем выше воспринимающая способность КРТ-детектора.

Это означает, что при повышении интенсивности излучения, будет увеличиваться количество энергии, принятой кадмий-ртуть-теллуровым фотоэлементом. Однако следует учитывать уровень сторонних шумов, влияющих на воспринимающую способность КРТ, таких как видимое излучение, находящиеся рядом нагретые тела, температура окружающей среды и прочее.

Также, по результатам исследования можно сделать вывод, что лампа накаливания является более мощным источником ИК-излучения, но, из-за большого количества шумов, ее использование не рекомендуется для исследования динамических и амплитудо-частотных характеристик КРТ-детектора и ИК-световода. В отличие от лампы накаливания, элемент Пельтье излучает ИК-волны меньшей интенсивности, но со значительно более низким уровнем шума, что делает использование данного устройства более качественным и точным источником инфракрасного излучения. Однако для получения наиболее точных результатов рекомендуется использовать источник инфракрасных волн совмещающий характеристики лампы накаливания, как источника сильного излучения, и элемента Пельтье, как источника с низким уровнем шумов.

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

Влияние импульсного режима работы на воспринимающую способность КРТ-детектора интересно с точки зрения физических свойств самого фотоэлемента, а именно процессов генерации и рекомбинации носителей заряда.

В КРТ-детекторе осуществляется Оже-рекомбинация носителей, при которой происходит передача энергии третей частице при возвращении основного носителя в свою валентную зону (см.п.1.3.3). То есть, процесс рекомбинации имеет большую продолжительность и энергоемкость, чем рекомбинация типа «зона-зона».

Предполагается, что импульсный режим работы позволяет КРТ-элементу «порциями» принимать энергию источника, при этом процесс генерации длится более долгое время, вследствие чего происходит более глубокое снижение сопротивления детектора, а значит повышается уровень напряжения, выходящего с ОУ MCT-1000. С рекомбинацией происходит аналогичный процесс, обратный генерации, т.е. происходит постепенное повышение сопротивления, сопровождающееся падением напряжения на усилителе. Предполагается, что зависимость процессов генерации и рекомбинации от повышения частоты импульсов нелинейная, поэтому исследование и анализ производится для диапазона частот.

По окончании проведения опыта по исследованию и сравнению непрерывного и импульсного режимов работы были получены результаты, представленные в п.2.3.3.таблице 2.3.

Чтобы проанализировать результаты, представим их в виде графиков, совмещающих

· импульсный и непрерывный режимы с источником - лампой накаливания (график 3.2);

· импульсный и непрерывный режимы с источником - элементом Пельтье при разных частотах вращения крыльчатки (график 3.3);

а также сравнительную таблицу напряжений при источнике - элементе Пельтье (таблица 3.1).

График 3.2.Сравнение непрерывного и импульсного режимов работы КРТ при источнике - лампе накаливания 40 Вт.

При сравнении режимов работы детектора с источником ИК-волн - лампой накаливания, очевидно преимущество импульсного режима над непрерывным: максимальное и среднее значения амплитуды напряжений при частоте импульсов 38Гц U_max = 3,64В, U_ср = 1,38 В, в то время как без крыльчатки (в непрерывном режиме) U_max = 2.64 В, U_ср = 1,04 В.

Таким образом, несмотря на высокий уровень шумов светового излучения, наблюдается сильное увеличение амплитуды колебаний напряжения.

График 3.3. Сравнение импульсного и непрерывного режимов с источником - элементом Пельтье при разных частотах вращения крыльчатки



Данный график показывает, что увеличение амплитуды колебаний происходит при частоте 24 и 72 Гц, но при значении 48 Гц наблюдается спад напряжения.

Значения средних и максимальных значений амплитуды напряжения для элемента Пельтье в зависимости от частоты представлены в таблице 3.1.

Таблица 3.1. Значения напряжения при различных частотах импульсов

Частота импульсов, щкр, об/мин	Среднее напряжение Uср, В	Максимальная амплитуда напряжения Umax, В
-	1,25	2,2
240	0,88	2,64
480	0,79	1,8
720	1,21	2,64

Из таблицы 3.1 можно увидеть, что наибольшая воспринимающая способность КРТ-детектора была достигнута при максимальной частоте импульсов, однако при частоте крыльчатки в 48 Гц воспринимающая способность минимальна. Это может быть связано как со структурой и свойствами КРТ-элемента, так и с характером передачи излучения элементом Пельтье.

Ниже представлена зависимость коэффициента усиления амплитуды от частоты при источнике - элементе Пельтье для импульсного режима работы КРТ-детектора (график 3.4)



График 3.4. Распределение изменения амплитуды в зависимости от частоты

Таким образом, очевидно, что импульсный режим работы КРТ-детектора более предпочтителен, так как в этом режиме достигаются большие значения напряжения, что особо важно для изучения инфракрасных волн среднего диапазона (3-9 мкм).

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

При проведении эксперимента по исследованию пропускной способности ИК-световодов из галогенидов серебра двух составов: AgCl_0.25Br_0.75 и AgCl_0.55Br_0.45, были рассмотрены характеристики как проводников инфракрасного излучения, так и КРТ-фотоэлемента, т.е. были выполнены исследования динамических характеристик двух различных устройств.

Для последовательного изучения динамических характеристик ИК-световодов из галогенидов серебра при передаче инфракрасного излучения на КРТ-детектор и влияния этого излучения на динамические свойства кадмий-ртуть-теллурового кристалла выстроим следующий порядок исследования (рисунок 3.5)

Рисунок 3.5. Классификация порядка исследования динамических свойств ИК-световодов с помощью КРТ-детектора.

Исследуем зависимость пропускной способности ИК-световода №1, составом AgCl_0.25Br_0.75, от интенсивности инфракрасного излучения. Для этого объединим результаты опытов непрерывного режима передачи ИК-волн, излучаемых лампой накаливания и элементом Пельтье, по световоду 1 в график, изображенный на рисунке 3.5.



Рисунок 3.5. Сравнение зависимости пропускной способности ИК-световода от интенсивности передаваемого излучения

Размещено на Allbest.ru