Пироэлектрические детекторы

  • ТЕРАГЕРЦОВЫЙ ПИРОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ДЕТЕКТОР СМС-78

    СМС-78

    Терагерцовый пироэлектрический детектор СМС-78

    Предназначены для детектирования излучения в терагерцовом диапазоне длин волн.

Принцип работы пироэлектрического детектора на примере пироЭОПа для дальнего ИК-диапазона

Схема ПЭОП
Рисунок 1. Схема ПЭОП
  1. входное окно, прозрачное для УФ и ИК(ТГц) излучений;
  2. УФ – фотокатод, прозрачный для ИК(ТГц) излучения;
  3. пироэлектрическое покрытие;
  4. проводящая сетчатая подложка;
  5. фокусирующий электрод;
  6. катодолюминесцентный экран;
  7. прозрачная подложка;
  8. оптика переноса;
  9. ЭОП 2-го поколения (усилитель яркости);
  10. окуляр;
  11. наблюдатель.
Рисунок 2
Рисунок 2.
3-2
Рисунок 3.
Эпюры
Рисунок 4.

Планарная конструкция и конструкция с переносом электронного изображения принципиально не отличаются друг от друга.

При облучении фотокатода соответствующим источником подсветки создается пространственно однородный поток фотоэлектронов. Этот поток фотоэлектронов, проходя через отверстия пироэлектрической мишени, модулируется в соответствии с распределением потенциала на поверхности пироэлектрического слоя, которое возникает при проецировании на мишень регистрируемого теплового излучения. Далее этот модулированный поток  электронов попадает на устройство регистрации электронного изображения (люминесцентный экран), на котором визуально наблюдается распределение регистрируемого теплового излучения (тепловое поле объекта). Для удобства наблюдателя ПЭОП может дополнительно комплектоваться оптикой переноса и усилительным ЭОП.

Рабочим материалом мишени является органический пироэлектрик. Молекулы этого пироэлектрика представляют собой «восьмерку» из двух бензольных колец, имеющую положительно заряженную группу атомов на одном конце и отрицательно заряженную на противоположном. При формировании пироэлектрической пленки на мишени эти молекулы выстраиваются отрицательным концом к подложке, таким образом «замораживается» поляризация пленки, знак которой не изменяется вплоть до ее разрушения. Положительный потенциал поверхности пироэлектрика притягивает к себе отрицательные ионы из окружающего пространства, и, таким образом, в атмосфере на поверхности мишени формируется двойной электрический слой, в сумме имеющий нулевой потенциал.

Используемый органический пироэлектрик в отличие от неорганических не имеет точки Кюри, то есть, он является линейным. Поэтому его пироэлектрический коэффициент практически не зависит от температуры. Кроме того в нем отсутствует пьезоэффект, что позволяет получить высокие виброустойчивость и вибростойкость  ПЭОП.

Самый простой режим использования ПЭОП  является следующим. При включении прибора на управляющий электрод мишени подается небольшое положительное напряжение. За счет этого потенциал поверхности пироэлектрика, обращенной к фотокатоду, на некоторое время повышается, но затем под действием попадающих на неё электронов устанавливается близким к потенциалу фотокатода (точнее, из-за начальных скоростей фотоэлектронов она приобретает небольшой отрицательный потенциал). Это препятствует попаданию электронов на поверхность пироэлектрического слоя. При этом одна часть электронов, отразившись от отрицательного потенциала поверхности пироэлектрика, возвращается на фотокатод, а другая, попадая в ускоряющее поле фокусирующего электрода в отверстиях пироэлектрической мишени и, проходя через эти  отверстия, попадает на люминесцентный экран, создавая начальное свечение экрана (яркость темнового фона). Яркость темнового фона может быть изменена напряжением подложки мишени.

При облучении пироэлектрической мишени потоком теплового излучения (рисунок 2а) с плотностью излучения W происходит нагрев пироэлектрической мишени (рисунок 2б) за время, определяемое тепловой постоянной мишени tT (для тонкопленочной мишени ПЭОП tТ равняется примерно 1 сек). Одновременно с изменением температуры пироэлектрика происходит изменение потенциала на поверхности пироэлектрического слоя. Физически это можно объяснить тем, что под действием тепла положительный потенциал поверхности пироэлектрика уменьшается, что приводит к появлению на его поверхности избытка отрицательных зарядов. Таким образом, поверхность мишени оказывается отрицательно заряженной на величину, приблизительно равную ΔUП (рис. 2в) за время, определяемое той же постоянной времени tТ. В этот момент на люминесцентном экране на месте записи наблюдается потемнение, т.е. получается негативное изображение.

Отрицательные заряды мишени начинают компенсироваться положительными ионами остаточного газа. Кроме того, в мишени существуют тепловые и электрические утечки. Все это приводит к разряду поверхности за время tЭ до исходного потенциала (до потенциала фотокатода). Если после этого перекрыть поток теплового излучения (время t1), то молекулы пироэлектрика возвращаются в первоначальное состояние, и на его поверхности образуется избыток положительных зарядов. Потенциал на поверхности мишени изменится на ту же величину ΔUП. На экране ПЭОП наблюдается яркое изображение записанного сигнала. Затем положительный заряд поверхности мишени компенсируется отрицательными ионами остаточного газа, электронным потоком с фотокатода, тепловыми и электрическими утечками мишени.

Чтобы исключить процессы перезарядки поверхности мишени, предлагается использовать режим прерывания теплового потока (например, с помощью затвора) или режим панорамирования, как это делается в тепловизорах на пировидиконах. Прерывание потока можно осуществлять со временем t = tТ, достигая при этом максимальной величины изменения потенциала поверхности пироэлектрика -ΔUП и максимальной модуляции проходящего сквозь мишень потока фотоэлектронов (см. рисунок 3).

Однако при таком режиме прерывания теплового потока ПЭОП будет иметь максимальную чувствительность и минимальный динамический диапазон и сможет регистрировать лишь небольшой перепад температур на исследуемом объекте из-за быстрого насыщения модуляционной характеристики.

Кроме того, следует заметить, что одновременно с нагреванием мишени происходит размывание теплового рельефа за счет теплопроводности мишени несмотря на ее сигментирование, что приводит к уменьшению разрешающей способности ПЭОП при работе в таком режиме. Расширения динамического диапазона ПЭОП при одновременном повышении разрешающей способности можно достигнуть уменьшением периода прерывания теплового потока от 1 сек до долей сек.

Если на мишень прибора проецируется с помощью оптического затвора модулированное во времени изображение тепловой миры так, что время открытого затвора  tз  будет меньше, чем tT, то вначале на экране ПЭОП мы будем наблюдать мерцающее темное изображение миры (отрицательный сигнал). Величина сигнала достигнет  максимальной величины через несколько секунд. Затем амплитуда мерцающего сигнала будет со временем уменьшаться и на экране ПЭОП будет наблюдаться мерцающее изображение миры, попеременно темное и светлое. Такое поведение становится понятным, если рассмотреть эпюры, представленные на рисунок 4.

На рисунке 4а изображена временная зависимость модулированной во времени мощности падающего на мишень теплового потока. На рисунке 4б представлена временная зависимость яркости (величины сигнала) облучаемых участков мишени. Через время t  3tТ  средняя температура облучаемых участков достигнет своего максимального значения, и в дальнейшем значения температуры будут колебаться относительно установившегося максимального среднего значения с частотой прерывания теплового потока. В течение времени t  3tТ   одновременно с ростом средней температуры растет средний отрицательный потенциал облучаемых участков и наблюдается появление максимально темного изображения миры (рисунок 4в), мерцающего с частотой модуляции. По мере разрядки поверхности пироэлектрика за счет утечек и ионного засева будет уменьшаться абсолютное значение среднего отрицательного потенциала, и мы наблюдаем уменьшение затемнения мишени (уменьшение сигнала). Когда же поверхность пироэлектрика полностью разрядится и величина среднего значения потенциала поверхности сравняется с исходной (до открывания затвора), мы будем наблюдать только переменную составляющую изменения поверхностного потенциала относительно равновесного ΔUП. Переменное по знаку изменение поверхностного потенциала с частотой модуляции приводит к появлению черно-белого мерцающего изображения миры.

Таким образом, при уменьшении времени открытого состояния затвора уменьшается чувствительность прибора, но одновременно расширяется динамический диапазон, что позволяет видеть детали объектов, нагретых до высоких температур. Изменяя частоту прерывания теплового потока можно подстраиваться под температуру объекта.Кроме того при увеличении частоты прерывания теплового потока повышается за счет меньшего растекания теплового рельефа мишени разрешающая способность ПЭОП.Данное положение было ранее подтверждено экспериментально при исследовании характеристик пироэлектрических видиконов с аналогичной тонкопленочной мишенью в режиме панарамирования и режиме прерывания теплового потока.