Книга
← К списку книгЗагрузка разделов…
активнаАктивные записи участвуют в каталоге и синках. Неактивная книга скрыта, но не удалена из базы.
Книга
THE INFRARED HANDBOOK
REVISED EDITION
Editors
William L. Wolfe
Professor of Optical Sciences, University of Arizona.
Consultant, Infrared Information Analysis (I RI A) Center Environmental Research Institute of Michigan.
George J. Zissis
Director Emeritus, Infrared Information Analysis (IRIA) Center Environmental Research Institute of Michigan.
Prepared by
The Infrared Information Analysis (IRIA) Center, Environmental Research Institute of Michigan.
for the
Office of Naval Research, Department of the Navy,
Washington, DC
СПРАВОЧНИК
ПО ИНФРАКРАСНОЙ ТЕХНИКЕ
Ред. У. Волф, Г. Цисис
В 4-х томах
Том
ПРИБОРНАЯ БАЗА
ИК-СИСТЕМ
Перевод с английского
под редакцией
Н. В. Васильченко,
М. М. Мирошникова
Москва «Мир» 1999
УДК 621.384.3
ББК 22.342
С74
Авторы: Т. Лимперис, Дж. Мудар, Э. Стека, Дж. Холл, Г. Сьюте, М. Донабедьян, У. Слоун
Переводчики: канд. физ.-мат. наук Ю.Р. Винецкий (гл. 12, 13, 17), В.Н. Брагин (гл. 14), С.Г. Кин (гл. 15), С.В. Грамматчиков (гл. 16)
С74 Справочник по инфракрасной технике./Ред. У. Волф, Г. Цисис.
В 4-х тг. Т. 3. Приборная база ИК-систем. Пер. с англ,—М.: Мир, 1999.-472 с., ил.
ISBN 5-03-002926-5
Фундаментальный справочник по ИК-технике, составленный группой ведущих американских специалистов по заказу правительства США и охватывающий широкий круг вопросов физики и техники ИК-излучения.
В т. 3 рассматривается приборная база ИК-систем: приемники ИК-излучения, системы охлаждения и электроника фотоприемных устройств, индикаторные устройства.
Для специалистов, разрабатывающих и применяющих приборы и системы ИК-техники, а также студентов и аспирантов соответствующих профилей.
ББК 22.342
Редакция литературы по информатике и новой технике
Р Я и
ISBN 5-03-002926-5 (русск)ISBN 5-03-002923-0ISBN 0-9603590-1-Х (англ.)ISBN 5-03-002926-5 (русск)ISBN 5-03-002923-0ISBN 0-9603590-1-Х (англ.)Издание осуществлено при поддержке Российского фондафундаментальных исследований по проекту 98-02-30021
ISBN 5-03-002926-5 (русск)
ISBN 5-03-002923-0
ISBN 0-9603590-1-Х (англ.)
ISBN 5-03-002926-5 (русск)
ISBN 5-03-002923-0
ISBN 0-9603590-1-Х (англ.)
© ERIM, 1993
© перевод на русский язык, оформление «Мир», 1999
12
ПРИЕМНИКИ ИЗЛУЧЕНИЯ
Т. Лимперис °, Дж. Му дар
Введение
В настоящей главе приводятся основные параметры приемников излучения (ПИ), соотношения, описывающие их работу, и другие сведения, позволяющие оценить пригодность того или иного приемника ИК-излучения для имеющейся задачи. В главе рассматриваются только такие одно- и многоэлементные приемники, область спектральной чувствительности которых не выходит за пределы 0,7.. .1000 мкм. Приемник излучения можно определить следующим образом:
«Это прибор, обеспечивающий выдачу выходного электрического сигнала, который является удобной мерой падающего на прибор излучения. В понятие «приемник излучения» намеренно включается не только фоточувствительный элемент, но элементы конструкции, в которой он смонтирован, равно как и другие элементы-оптические окна, диафрагмы, сосуды Дьюара, отражатели, находящиеся внутри конструкции, и т. д.-все то, что объединено в единый узел-приемник излучения, поставляемый изготовителем» [1].
Физические величины, их обозначения и единицы измерения
В табл. 12.1 приводится список используемых в данной главе физических величин, их обозначений и единиц измерения.
11 Thomas Limperis, Argo Sciences, Inc.
Прием» ики излучения________
Т^баича 12.1. Обозначения, наименования н единицы измерения физических величин
Обозначение
НаименованиеЕдиница измерения
2
Л а4
Площадь поперечного сечениясм
Площадь фоточувствительного элемента (ФЧЭ) приемникасм"
А.
Эффективная фоточувствительная площадь ФЧЭCMli
а В b
Коэффициент поглощениясм
Магнитная индукцияГс
Отношение подвижностей электронов и дырок—
С С. <€
<*1
^2 С D
D*W
Электрическая емкостьФ
Эквивалентная емкостьФ
ТеплоемкостьДж/К
Первая постоянная в формуле Планка Вт мкм4/см2 Вторая постоянная в формуле Планка мкм-К Скорость светам/с
Обнаружительная способность1/Вт
Удельная обнаружительная способность в расчете на единичную площадь
ФЧЭ и единичную полосу частотсм-^Гц/Вт
В**
Удельная обнаружительная способность в расчете на единичную площадь ФЧЭ. единичную полосу частот и еди-
D.
d Е
ничныйный угол поля зрения см • ^/Гц • ср/Вт
Коэффициент диффузии электроновсм2/с
Коэффициент диффузии дыроксм2/с
Толщина чувствительного элемента см Поверхностная плотность энергии
8
излученияВт/см2
Напряженность электрического поля В/см
Энергия фотонаДж
Энергия активации примеси в мате-
Ек
риале фоторезистораДж
Кинетическая энергия свободного
Е.
электронадж
Поверхностная плотность потока
Еч»
фотоновфотонДсм2 ■ с)
Поверхностная плотность потока фо-
ЕЯ-> е FOV
тонов фонового излученияфотон/(см2-с)
io же для сигнального излученияфотон/(см2*с)
Заряд электронаКл
Геометрическое поле зрения приемника ср или град
ЧастотаГц
Л То 9
Частота модуляциирц
ТеплопроводностьВт/К
Эффективная (интегральная) тепло-
»0
проводностьВт/К
Сумма эффективной и излучательной
теплопроводностейВт/К
Скорость генерации свободных носителей заряда]/с
Продолжение таблицы 12.1
Обозначение
НаименованиеЕдиница измерения
Ср
Фотоэлектрическое усиление фоторезистора—
Gsh
Шунтирующая емкостная проводимость1 /Ом
9 h
I
h
ha isc
6 ‘s * «П
Коэффициент усиления—
Постоянная ПланкаэВс
Постоянный токА
Постоянный диффузионный токА
Постоянный ток сигналаА
Постоянный ток насыщенияА
Постоянный ток короткого замыкания А
Среднеквадратичные значения переменных токов полного, сигнального и шумовогоА
МЛШЛО
Мгновенные значения полного, сигнального и шумового токовА
К к L Ld Le ^н 1
Безразмерная постоянная—
Постоянная БольцманаДж/К
Диффузионная длинасм
Эффективная диффузионная длинасм
Диффузионная длина для электронов см
Диффузионная длина для дыроксм
Расстояние; расстояние между электродамисм
M
N
Коэффициент умножения—
Общее количество свободных носителей заряда—
ОЭШ МЭШ N$ NX
Облученность, эквивалентная шуму Вт/см2 Мощность, эквивалентная шумуВт
Сигнальный поток фотонов1/с
Поверхностно-спектральная плотность потока фотонов (на единицу площади и единицу длины волны)1/(с-мкм-см2)
n
y>
Концентрация свободных электронов 1/см3
Пироэлектрический коэффициентА/см2
Раъ
Температурный коэффициент тер- мо-э. д. с.В/К
p R
Концентрация свободных дырок1/см3
СопротивлениеОм
&
^bb
Чувствительность приемникаВ/Вт или А/Вт
Чувствительность приемника по отношению к излучению абсолютно чер
ного телаВ/Вт или А/Вт
9t,eM
Относительная спектральная чувствительность калибровочного приемника —
Rd
Сопротивление приемника излучения (фо точу ветви тельного элемента)Ом
^dyn Re
Динамическое сопротивлениеОм
Эквивалентное входное сопротивление предусилителя фотосигналаОм
Rl
Нагрузочное сопротивлениеОм
8
Продолжение таблицы 12.1
Rm
S
Сопротивление амперметраОм
Скорость поверхностной рекомбинации^с
Т Тв
Абсолютная температура
Температура абсолютно черного из- лучателя
т<
То t
V
V»
Vo
Температура приемника излученияК
Температура охладителяК
Времяс
Напряжение постоянного токаВ
Напряжение смещенияВ
Напряжение пробояВ
Напряжение холостого хода (постоянная составляющая)В
vP
V, V,, ^
Напряжение ПельтьеВ
Среднеквадратичные значения напряжений переменного тока-полного, сигнального и шумовогоВ
с<Ле$Щ, v„(/)
Мгновенные значения напряжений - полного, сигнального и шумовогоВ
LV
Среднеквадратичное значение калибровочного напряжения переменного токаВ
V1 •
Квадратный корень из спектральной плотности напряжения шумаВД/Гц
»0
Переменная составляющая напряжения холостого ходаВ
«т
Среднеквадратичное значение напря-
WN
жения теплового шумаВ
Мощность джоулева тепловыделения в фоточувствительном элементеДж
w
Ширина фоточувствительного эле-
z
z a
ментасм
Импеданс (абс. величина)Ом
Тепловой импедансК/Вт
Комплексный импедансОм
Температурный коэффициент сопро-
0
тивления1/к
Коэффициент неидеальности фотодиода
Y ATd
Фактор когерентности излучения—
Приращение температуры приемника
5 £
n
X К
(фоточувствительного элемента)К
Фазовый сдвиград
Коэффициент излучения_
Квантовая эффективность
Длина волны излучениямкм
Граница спектральной характеристики обнаружительной способности приемника мкм
Единица измерения
Наименование
Обозначение
Обозначение
НаименованиеЕдиница измерения
ч
Положение максимума спектральной характеристики обнаружительной
ч ц Це Рл V ^ab Р СТ СТе ^ Т
способности приемникамкм
Длина волны сигнального излучения мкм Подвижность носителей зарядасм2ДВс)
Подвижность электроновсм2/(Вс)
Подвижность дыроксм2ДВ-с)
Частота излучения1/с
Коэффициент ПельтьеВ
Коэффициент отражения излучения — Постоянная Стефана-БольцманаВт/(м2-К4)
Сечение захватасм2
Удельная электропроводность1ДОмсм)
Постоянная временис
Среднее время жизни свободных носителей зарядас
Тс Tel
ТА
Тт ф
Ф(0
Постоянная времени электронной цепи с Время жизни электроновс
Время жизни дырокс
Постоянная времени теплообменас
Мощность потока излученияВт
Мгновенное значение мощности потока излученияВт
фв tiViW
Мощность потока фононого излучения Вт Спектральная плотность потока фо-
Фч.Х.в(М
тоновфотонДс ■ мкм)
Спектральная плотность фонового
Ча./М
потока фотоновфотонДс мкм)
Спектральная плотность сигнального
потока фотоновфотонДс мкм)
Ф,
Среднеквадратичное значение мощности сигнального потока излучения Вт
Фх(Ч
Спектральная плотность мощности излученияВт/мкм
Ф
Xi
Работа выхода данного материала Дж Фазовый сдвиг между потоком излу-
52
чения и напряжением откликарад
Телесный угол зренияср
Эффективный (взвешенный) телесный угол зренияср
О
ОСШ
Угловая частотарад/с
Отношение сигнал/шум—
Физические величины, их обозначения и определения, относящиеся к параметрам приемников излучения
В табл. 12.2 и 12.3 приведены определения, обозначения и единицы измерения основных параметров приемников излучения и соотношения для шумовых характеристик. Таблицы составлены по данным опубли-
Параметр, обозначение,единица измерения
Определение
Определяющее уравнение
Функциональная связьс другими параметрами
Фоточувствительная площадь, Ad, см2
Импеданс, Zd, Ом
Сопротивление, Ra, Ом
Температура фона, Тв, К
Телесный угол зрения, ср
Для тонкопленочных или монокристаллических фоточувствитель- ных элементов Ad обычно представляет собой геометрическую площадь чувствительной поверхности. Для приемников с газонаполненными баллонами Ad есть площадь входного окна. Эффективная фоточувствительная площадь Ае определяется интегралом относительной чувствительности по фо- точувствитсльной поверхности Крутизна зависимости мгновенного напряжения от мгновенного тока при данном напряжении смещения VB.
Отношение падения напряжения постоянного тока на приемнике (фоточувствительном элементе) к величине постоянного тока.
Температура однородного черного тела, полностью покрывающего поле зрения приемника и обусловливающего полный поток излучения, регистрируемый приемником. Телесный угол (угол зрения), в котором приемник воспринимает излучение.
Ad геометрическая площадь
A d ,лтах
здесь ^таХ максимальное значение 9Цх,у), 9?- чувствительность, х, у -координаты в плоскости фоточувствительной поверхности.
Zd = d^diWv,
Ra = vii
Zd зависит от напряжения смещения, межэлектродной емкости, уровня облученности приемника.
Rd зависит от температуры приемника (ФЧЭ) и уровня облученности.
Эффективный (взвешенный) телесный угол зрения, Ое, ср
Телесный угол (угол зрения), в котором приемник воспринимает излучение, усредненный с весовой функцией, отвечающей углу падения излучения.
A d
х cos0sin0^(x,у,ф,0)dyd$ }dxdy, здесь ^тэх (0,0) - максимальное значение координатно-угловой характеристики чувствительности 9?(х,у, ф, 0), измеренное при ф = 0, 0=0; ф, 0- сферические координаты (ф - азимутальный угол); cos 8 весовая функция. Ось г направлена нормально к плоскости фото- чувствительной поверхности ФЧЭ. Если ^ не зависит от ф, П = л sin2 (0/2), где 0 - полный плоский угол раскрытия конуса поля зрения.
Мгновенное напряжение сигнала, и//), В (или ток сигнала, W А)
Среднеквадратичное (действующее) значение амплитуды основной гармоники напряжения сигнала, у,, В (или тока сигнала, А)
Мгновенное значение составляющей напряжения или тока сигнала, когерентной с Ф,(/) мощностью переменного во времени потока излучения сигнала (поток может быть монохроматичным или исходить от черного тела).
Квадратный корень из среднего по времени квадрата амплитуды наи- низшей гармоники в ряде Фурье для отклика.
Если мощность падающего излучения Ф$(/) периодична во времени, Ф5(/) = Фо + + Oj cos (2л// + 8j) + + Ф, cos (2 ■ 2л// + 52) + -. • , Ш=И0+И1со5(2п7/ + У1) + + И2 cos (2 - 2л/г + ф2) + ...
V, = И/Т2
Напряжение у$ зависит от частоты /. Для приемника, который описывается одной постоянной времени, шах
У(1 - + 4n2/V)у4 зависит также от на-пряжения смещения
Параметр, обозначение,единица измерения
Определение
Определяющее уравнение
Функциональная связьс другими параметрами
Среднеквадратичное значение напряжения шума, v„, В (или тока шума, 1„, А)
Некогерентная с сигналом составляющая напряжения или тока отклика. Измеряется при отсутствии сигнального излучения.
Если предусилитель не передает постоянную составляющую, то
Спектральная чувствительность ^ (X), В/Вт или А/Вт
Чувствительность к излучению черного тела, ^ьь, В/Вт или А/Вт
Постоянная времени, т, с
Отношение среднеквадратичного значения напряжения (тока) сигнала на выходе приемника к среднеквадратичному значению мощности монохроматического излучения (в пересчете на бесконечно большой импеданс нагрузки).
То же, что и 5?(Х), но поток исходит от черного тела.
^(Х) =
Ф,дДХ
у.
ЬЬ Ф
s.bb
Мощность, эквивалентная шуму, для монохроматического излучения, (МЭШ)?., Вт
Мера инерционности приемника. Различные выражения для т (в следующей колонке таблицы) дают одинаковый результат при «белом» спектре шума и следующей частотной характеристике приемника: ^(/) = ^(0)(1 +4я2/2т2)~ш
Постоянная времени спада частотной характеристики фотоотклика т = 1/(2л/с, где fc-частота модуляции, на которой частотная характеристика падает в ^/2 раз от максимального значения.
Постоянная времени нарастания фотоотклика-время, необходимое для достижения откликом на выходе ПИ
(1 — 1/е) = 0,63 максимального значения. Измеряется при импульсной входной засветке: на вход ПИ подается прямоугольный импульс излучения.
Постоянная времени фотоотклика да
i, = «L/4f[W)]’4/. О
Постоянная времени, определяемая по обнаружительной способности, *
Эмпирическая постоянная времени, определяемая по фотоотклику,
т =
11J КПМЗД]2 I1/2 гпЦ/^^)]2-^,^^)]2) ’ где fx и /2 должны быть заданы, е) Эмпирическая постоянная времени, определяемая по обнаружительной способности,
Ъ =
= 1J [РУ,)]2 - №*(ЛЯ2 11,2 2п1с/2О*(ЛЛ2-[/16*(/1)Г) ’
Среднеквадратичное значение мощности монохроматического излучения сигнала с длиной волны X, обусловливающее ОСШ, равное единице на выходе приемника. Для
где/1 и/2 должны быть заданы. (МЭШ)Х = Ф^ДХ^/р, = ^х
ип зависит от фоточувст- вительной площади приемника, с полосы частот пропускания Д/, частоты j\ на которой ведутся измерения, и в некоторых случаях от угла зрения Q и температуры фона Тв .
Зависит от X, /, Г и напряжения (тока) смещения.
Зависит от /, Т и напряжения (тока) смещения.
Зависит от X, A^f, A/и в некоторых случаях от Г2 и Тв.
Парамо р, обозначение,единица измерения
Определение
Определяющее уравнение
Функциональная связьс дру1цми параметрами
Мощность. эквивалентная шуму, для излучения черного тела, (МЭШ)^, Вт
Обнаружительнаяспособность по отно-шению к монохрома-тическому излучениюсигнала, D(X), 1/ВтОбнаружительная спо-собность по отноше-нию к излучению чер-ного тела, Dbb, 1/ВтУдельная обнаружи-тельная способностьпо отношению к мо-нохроматическому из-лучению, D*<kJc\см • Х/Ги/Вт
определенности необходимо указание частоты модуляции, полосы частот измерений и фоточувстви- тельной площади приемника.
То же, что и (МЭШ)х, но при излучении сигнала, спектр которого отвечает черному телу. Необходимо указывать температуру черного тела, частоту модуляции и полосу частот измерений.
Величина, обратная (МЭШ)х< Требует указания тех же параметров, что и (МЭШ)х.
Удельная обнаружительная способность
Величина, обратная (МЭШ)Ь6. Требует указания тех же параметров, что и (МЭШ)м.
Обнаружительная способность, приведенная к единичной площади приемника и единичной ширине полосы частот. Необходимо указывать X и частоту модуляции в качестве параметров в скобках. Для приемников, работающих в режиме ограничения флуктуациями фонового излучения (BLIP), необходимо также указывать £2 и Тв.
То же, что и Д*(Х./Д но при излучении сигнала, обладающем спектром
(M3IU)to = ^1MvJvs = vJS%bb
D^= 1/(МЭШ)х
Dbb = 1/(МЭШ)Ь6
DHW-VX^f'DW
dht*,,» = Jaatd»
Зависит от температуры черного тела, Ad, /, Д/ и в некоторых случаях оз Q и Тв.
Зависит от X, Ad, f, ^f и иногда от £2 и Тв.
Зависит от температуры черного тела. Ad, f, ^f и иногда от Q и Тй.
Для приемников, работающих в BLIP-режиме, зависит от Q и Тв.
Для приемников, рабо-тающих в BLIP-режиме,
по отношению к излучению черного тела, О*(Тм./Дсмх/Гц/Вт
Максимальное значение D4W, D*(McV см • Х/Гц/Вт
Удельная обнаружительная способность в расчете на единичный телесный угол зрения, р*чул см ■ Х/Гцср/Вт
Положение (длина волны) максимума спектральной характеристики обнаружительной способности. Хр (или X^J, мкм
Положение (длина волны) края спектральной характеристики обнаружительной способности, Хг, мкм П*Г
абсолютно черного излучателя с температурой Т№. Необходимо указание Тьь и fc в скобках. Для приемников, работающих в BLIP-режиме, необходимо указывать £2 и Ts.
Максимальное значение D*(X,/C) в интервале длин волн излучения (на длине волны Хр)
Значение D*(XJC\ отнесенное к эффективному телесному углу зрения Пе (при Пе = я получается D** = D*)
Длина волны излучения, на которой D*(X,/C) достигает максимума.
Длина волны излучения, на которой Р*(К/С) вдвое меньше максимального значения.
Произведение максимальной удельной обнаружительной способности и частоты f*, на которой D*(f) падает в ^/2 раз от максимального значения.
зависит от £2 и Тв.
D4\J3 = 7^Л?/(МЭШ)Х,
y(W = V^WW-)
D*J*, где /* такова, что O'V) ‘^
Та же, что и для D*(X,/e)
Зависит от температуры и материала приемника
Зависит от температуры и материала приемника
Вид шума
Физический механизм
В каких приемникахможет проявляться**
Выражение для
Тепловой (джонсонов или найквистов)
Температурный
В состоянии теплового равновесия случайный характер движения носителей заряда в проводнике создает случайное падение напряжения на нем. При повышении температуры растет кинетическая энергия носителей, что приводит к росту напряжения шума.
Флуктуации температуры фоточувствитель- ного элемента, вызванные радиационным теплообменом с окружающей средой и теплопроводностью, вызывают флуктуации напряжения сигнала. Тепловой приемник работает на теоретическом пределе в том случае, когда его температурный шум вызывается только радиационным теплообменом.
Все приемники
Все приемники
Модуляционный, или 1//
Механизм шума не вполне ясен. Как следует из названия, шум характеризуется спектральной плотностью вида 1 //"; п лежит в пределах 0,8...2.
Все приемники
v,= J^R^f
Для тепловых приемников
Tf2 «т^дг
«2 + 4п2/2«
Генерационно-рекомбинационный (GR-шум)
Шум возникает вследствие статистических флуктуаций в скоростях генерации и рекомбинации носителей заряда. Эти флуктуации могут быть вызваны взаимодействием носителей заряда с фотонами или случайностью актов поглощения фотонов равновесного фона. Если преобладающим механизмом является последний из названных, шум часто называют фотонным, радиационным или фоновым шумом.
Все фотонные приемники
В фотодиодах значение v„ меньше приведенного выше в ^/2 раз, поскольку вклад в шум дают только флуктуации темпа генерации
ДробовойДробовой
Дробовой
Дробовой
Шум, вызванный дискретностью заряда. Ток /, протекающий через фоточувствительный элемент, образуется как сумма импульсов тока, вызванных отдельными электронами и/или дырками.
Фотодиоды и гон- vn= Rd 2elAf, копленочные прием- здесь е заряд электрона ники
В правильно спроектированных фотонных приемниках температурный шум незаметен. Точно так же в правильно спроектированных фотодиодах «неощутимы» другие шумы, кроме дробового (о правильной трактовке этого шума см. примечание на с. 00) и, может быть, начиная с некоторого значения обратного смещения, шума \Ц\ Прим. персе.
гов,нных работ отчетов по работам, выполненным по правительственным заказам, и отчета по стандартизации испытании приемников инфракрасного излучения, подготовленного Джонсом и др. [1].
Фоточувствительные элементы
Фоточувствительный элемент-это преобразователь излучения. Он трансформирует мощность входного потока излучения в электрическую мощность выходного сигнала, который может усиливаться с помощью электронных схем.
Такое преобразование можно осуществить с помощью приемников излучения двух типов: тепловых и фотонных. ФЧЭ теплового приемника чувствителен к изменениям числа или подвижности свободных носителей заряда, т.е. электронов и/или дырок, вызванным изменениями числа ИК-фотонов, облучающих, ФЧЭ. В тепловых приемниках используются болометрический, термовольтаический, термопневматический и пироэлектрический эффекты. В числе эффектов, используемых в фотонных ПИ-фотовольтаический (фотогальванический), фотоэлект- ромагнитный. фотопроводимость и фотоэлектронная эмиссия (внешний фотоэффект). Каждый из упомянутых способов преобразования описывается в следующем разделе.
Эффекты, используемые при фотоэлектрическом преобразовании
Болометрический эффект. Изменение температуры ФЧЭ, вызванное облучающим приемник ИК-излучением, изменяет электропроводность, величина которой отслеживается электронной схемой.
Фотопроводимость. Изменение числа фотонов, облучающих полупроводник, вызывает изменение среднего числа свободных носителей заряда в материале ФЧЭ. Электропроводимость полупроводника прямо пропорциональна среднему числу носителей заряда в материале. Таким: образом, изменения электропроводности прямо пропорциональны изменениям числа фотонов в облучающем потоке.
Фотоэлекгромагнитный эффект. Фотоны, поглощаемые у поверхности полу-проводника, порождают свободные носители заряда. Последние диффундируют в объем материала, разделяясь при движении магнитным поле^. В результате такого разделения возникает разность по1енциалов, величина которой прямо пропорциональна числу фотонов во входном потоке излучения.
Фотовольтаический аффект. При облучении р - «-перехода в полу- ме=Ип«ИЗМеНеНИЯ ЧИСЛа Ф°Т0Н0В вхо»юго потока вызывают из- менения разности потенциалов на переходе.
ФЧЭпТво^^^ Эффскт' Поглоще™е ИК-излучения кристаллом Р «водит к повышению его температуры. Изменение температуры
меняет дипольный момент элементарной ячейки кристаллической решетки, в результате чего возникает внешнее электрическое поле, которое может быть зарегистрировано.
Термопневматический эффект. При облучении замкнутой камеры с газом повышается температура газа (и, следовательно, давление), что приводит к расширению камеры и перемещению зеркала, прикрепленного к ее внешней стенке. Это перемещение регистрируется оптическим путем.
Термовольтаический эффект. Температура спая разнородных металлов изменяется при поглощении в спае меняющегося потока излучения. При этом благодаря эффекту Зеебека возникает переменное напряжение на спае.
Оптические окна
Оптические окна применяются для изоляции пространства, непосредственно окружающего ФЧЭ, от внешней среды, что часто бывает необходимым. В охлаждаемых приемниках излучения ФЧЭ помещают в вакуум. Оптическое окно влияет на спектральное распределение потока фотонов, достигающих ФЧЭ.
Апертурные диафрагмы
Апертурные диафрагмы используются для ограничения поля зрения ФЧЭ. Их часто применяют в охлаждаемых приемниках, ограниченных фотонным шумом, для того, чтобы ограничить побочные фоновые засветки и тем самым уменьшить шумы (см. разд. 12.4).
Сосуд Дьюара
£осуды Дьюара используются для сохранения хладоагента, с помощью которого понижается рабочая температура ФЧЭ и тем самым повышается обнаружительная способность.
ЭЛЕМЕНТЫ ТЕОРИИ ТЕПЛОВЫХ
ПРИЕМНИКОВ ИЗЛУЧЕНИЯ
Как отмечалось выше, действие тепловых приемников основано на одном из следующих четырех эффектов, приводящих к трансформации ИК-излучения: 1) болометрическом, 2) термовольтаическом, 3) термопневматическом, 4) пироэлектрическом. Ниже излагается элементарная теория каждого из названных эффектов.
Болометры
Болометрический эффект состоит в изменении электросопротивления ФЧЭ при изменении температуры, вызываемом поглощением ИК-из- лучения. На рис. 12.1 и 12.2 изображены две электронные схемы, в которых используется данный эффект.
При использовании мостовой схемы (рис. 12.1) оба приемника, изображенные на рисунке, помещаются в непосредственной близости друг от друга, причем один из них (опорный) экранируется (защищается) от любого дополнительного внешнего излучения, интенсивность которого превышает фон среды, окружающей приемник. Мост балансируют при отсутствии дополнительного входного потока ИК-излучения на другом (экспонируемом) приемнике. При воздействии входного потока температура облучаемого ФЧЭ повышается, и его сопротивление вследствие этого падает. Происходит разбалансировка моста, и через сопротивление R2 течет ток. В схеме, изображенной на рис. 12.2. к внешней регистрирующей электронной схеме через разделительный конденсатор поступает только переменная составляющая падения напряжения на болометре. Изменение электросопротивления при возрастании температуры болометра зависит от температурного коэффициента сопротивления а, который определяется как
а = (1, R^dR^dT^, (12.1) где Rd-электрическое сопротивление ФЧЭ, Td - температура ФЧЭ. Напряжение сигнала в схемах на рис. 12.1 и 12.2 описывается уравнениями (12.2) и (12.3) соответственно:
^ = 4" = (^7 ’02.2), (12.3)
^R. = VR1;dT1^T1.(124)
Рис. 12.1. Мостовая схема включения болометрического приемника из мерении на постоянном токе.Рис. 12.1. Мостовая схема включения болометрического приемника из мерении на постоянном токе.Выход&VВыход&VИК-идлуч^^одИК-идлуч^^одЗдесь /-установившийся ток, протекающий через болометры в мосто-
Рис. 12.1. Мостовая схема включения болометрического приемника из мерении на постоянном токе.
Рис. 12.1. Мостовая схема включения болометрического приемника из мерении на постоянном токе.
Выход&V
Выход&V
ИК-идлуч^^од
ИК-идлуч^^од
^ij2-2- Схсма включения боломет- рического приемника для измерений на переменном токе.
вой схеме; ДТ4-изменение температуры во времени; Д v - результирую- * шее изменение напряжения; rs(/)-переменная составляющая напряжения выходного сигнала; V - постоянное напряжение смещения; смысл обозначений Rv, R2, R3 ясен из рис. 12.1 и 12.2; Rd, Td имеют тот же смысл, что и в формуле (12.1).
Чувствительность ^ определяется как
^ = Дг/ДФ,(12.5)
где Ду-напряжение на выходе схемы в режиме холостого хода» возникающее при изменении мощности входного потока ИК-излучения на ДФ. Возрастание температуры болометра &Td, вызванное приращением ДФ, описывается следующим дифференциальным уравнением:
f€dTJdt + %&Td = Wh + ДФ,(12.6)
где ^-теплоемкость болометрического ФЧЭ (Дж/К); ^0ATd-суммарный поток тепла, отводящийся от элемента посредством теплопроводности и излучения; Wh-джоулева мощность тепловыделения в болометре при прохождении через него тока ^I2Rd\ В установившемся состоянии
^Q^Td—Wh —I2Rd.(12.7)
Из уравнений (12.6) и (12.7) можно получить следующее уравнение, справедливое при условии малости &Td:
_dATddWh
<6 —+ ^ДТ, = —? ДТа + ДФ,(12.8)
dtdT
где ^-полная дифференциальная теплопроводность, определяемая для малых приращений температуры, в единицах Вт/К. Темп роста тепловыделения Wh с температурой Т различен в зависимости от схемы включения болометра. В схеме, изображенной на рис. 12.2,
dWhdtdWhdt= aWh= aWhRy-RdRx ^’Ry-RdRx ^’dwhdtdwhdtaATd%aATd%Ry-Ra Ry + RaRy-Ra Ry + Ra(12.9)(12.10)(12.9)(12.10)
dWhdt
dWhdt
= aWh
= aWh
Ry-Rd
Rx ^’
Ry-Rd
Rx ^’
dwhdt
dwhdt
aATd%
aATd%
Ry-Ra Ry + Ra
Ry-Ra Ry + Ra
(12.9)
(12.10)
(12.9)
(12.10)
(12.11)(12.11)(12.12)(12.12)
(12.11)
(12.11)
(12.12)
(12.12)
Теперь можно переписать уравнение (12.8):
^d^Td/dTA-^e^Td=^Ф,
где ^-эффективная теплопроводность, определяемая как
^e = ^-a<$0^Td-^—^
Ку • Kd
При ^е < 0 уравнение (12.11) имеет при ДФ = 0 решение, экспонен
циально растущее со временем. В этом случае процесс измерений неустойчив, и болометр в конце концов сгорит. Условием устойчивой
(12.13)(12.13)работы является ^>^oaATd,
(12.13)
(12.13)
причем Rv выбирается таким образом, чтобы выполнялось соотношение R.»Ad для максимизации напряжения выходного сигнала Аг. Ниже приведено решение уравнения (12.11) для входного сигнала-потока излучения гармонической формы (АФ0 = АФтах cos coz):
АГ, = £ДФ0/[^е(1 + ю2т2)1/2] . (12.14)
где 1 = ^,, е-коэффициент излучения болометра, АФ0-гармоническая функция с угловой частотой св и амплитудой АФтах.
Температурный отклик на произвольное периодическое воздействие потока излучения можно определить с помощью разложения периодической функции в ряд Фурье и применения принципа суперпозиции. Из (12.1) можно получить
(12-15)(12-15)^Rd = ДГ,Я,а.
(12-15)
(12-15)
Отсюда следует
^Rd = /?,аеАФ0/[^Д1 + о)2т2)1/2] .(12.16)
Выражение для чувствительности болометра ^ в схеме на рис. 12.2, полученное при помощи формул (12.16) и (12.3), имеет следующий вид:
MW + ^t2)1'2'(12Л7)
(12.18)(12.18)Для мостовой схемы (рис. 12.1) ^ = (1/2)е/^а(1/^).
(12.18)
(12.18)
Конкретные примеры числовых значений параметров, заимствованные из книги [2], приводятся ниже.
Случаи 1. Идеальный металлический болометр с отводом тепла в основном вследствие теплопроводности. Температурный коэффициент XT” еСТЬ ^'^^^^R./dT^. Сопротивление металлов в темпе^^Темп,еР^тУР приблизительно пропорционально
мпературе, поэтому a % l/Td. Если считать R,» Rd ивы
ражение (12.12) принимает видо>
^ = ^-ВД. (]219)
(12.20)для I,(12.20)для I,^^yjo0"^.,;,4,50^’,^;- 50 Ом и^0 = Ю"» Вт/К получим "^ можно ^„ть^отнош^ ”— - Л = ^е/[Т,(6,7Ю-5)].
(12.20)для I,
(12.20)для I,
Полагая в 1 и подставляя в последнюю формулу значение
получаемое из (12.7), приходим к значению чувствительности J? = 30 В/Вт.
Случай 2. Металлический болометр с преимущественно радиационным теплоотводом. Положим ^ = ^0 = 10~4 Вт/К, а = const, с = 1, (о2т2 « 1, То = 300 К, Rd = 50 Ом, Ri » Rd и Td = 375 К. Из формулы (12.12) следует ^е = 0(1 -аД/J.(12.21)
Для предотвращения тепловой неустойчивости и перегорания ФЧЭ необходимо, чтобы выполнялось условие ДТ., < 1/а. Пусть ДТ, = 1/2а, тогда 0е = (1/2)0. Выражение для чувствительности таково:
^ = KRd0.^e.(12.22)
Подстановка в (12.22) значения /, определяемого из (12.7), дает ^ = 82 В/Вт.
Случай 3. Полупроводниковый болометр. Положим а = — 1ОТо/Т2, ^ = ^0 = Ю"4 Вт/К, Rv »Rd. е = 1, со2т2 « 1, Td = 315 К, То = 300 К и Rd = I06 Ом.
Имеем
0. = 0 - а0оДТа, 0. = 0(1 - аДТД = 5,5-10"5 .(12.23)
Если подставить найденное таким образом значение 0е вместе с /, определяемым из (12.7), в полученное ранее выражение для чувствительности, то получим
^ = IRda.^e , ^ = 21 000 В/Вт.(12.24)
Шум. Напряжение шума термисторов, выпускаемых промышленностью, складывается из шума 1//(называемого также токовым, избыточным или модуляционным шумом) и теплового (джонсонова) шума. Токовый шум описывается выражением1* «„-IRMlA^^IfY-(12.25)
тепловой -
vn = ^kTdR^nv‘2 -(12.26)
При достаточно больших значениях тока, протекающего через приемник, таких, которые обеспечивают достижение наилучшего режима работы по критерию ОСШ, шум 1// преобладает в большей части полосы частот, в которой работают болометры. Если ток питания
существенно снижается, то шум 1// уменьшается н доминирующим становится тепловой шум. В этом случае спектр шума приемника будет плоским (белым) и будет зависеть только от сопротивления и температуры ФЧЭ.
Существуют болометры, разработанные специально для работы при низкой температуре, чтобы таким образом повысить чувствительность и уменьшить инерционность ФЧЭ. При этом получено существенное улучшение обнаружительной способности D* и постоянной времени фотоотклика. Такие охлаждаемые болометры широко не производятся из-за их относительно высоких сложности и стоимости, обусловленных необходимостью иметь в составе ПИ криогенные устройства. В этом случае (при необходимости повысить значение D*) предпочтительнее использовать фотонные приемники излучения.
Термопары и термостолбики
При нагревании контакта двух разнородных материалов между концами разомкнутой цепи, содержащей этот контакт, возникает разность потенциалов. В этом состоит термовольтаический эффект. Такой
контакт называют термопарой. Если чувствительный элемент содержит две и более термопары, включаемые последовательно, то его называют
термостолбиком. На рис. 12.3 изображена схема термопары, изготовленной из двух разнородных материалов А и В, соединенных внешним
проводником С. Контакт J, присоединен к конструктивному элементу, непосредственно воспринимающему ИК-излучение. При поглощении излучения температура элемента повышается от значения Td до Т + что вызывает нагревание контакта J,. Если предположить, что темпе- ратура на контакте JY также равна Т„ + &Т„, то возникающая в цепи электродвижущая сила составит
Vo = Pflb^Td.Vo = Pflb^Td.Величина РаЬ представляет собой такВеличина РаЬ представляет собой так(12.27) называемый температурный(12.27) называемый температурныйРис. 12.3. Схема термопары.Рис. 12.3. Схема термопары.
Vo = Pflb^Td.
Vo = Pflb^Td.
Величина РаЬ представляет собой так
Величина РаЬ представляет собой так
(12.27) называемый температурный
(12.27) называемый температурный
Рис. 12.3. Схема термопары.
Рис. 12.3. Схема термопары.
коэффициент электродвижущей силы и является характеристикой двух материалов, образующих контакт. При облучении чувствительного элемента излучение нагревает его, поэтому в цепи протекает ток. Проходя через контакт, ток вызывает его охлаждение вследствие эффекта Пельтье. Поглощаемое на контакте тепло AWh выражается формулой
А^= -KabL(12.28)
где киЬ носит название коэффициента Пельтье. Величина каЬ связана с РаЬ соотношением
^ab = TdPab.(12.29)
По мере того как ток течет через контакт, значение ATd меняется в результате охлаждения, вызываемого эффектом Пельтье на контакте Jх. Если поддерживать постоянной температуру «холодного» контакта J2, то можно показать, что скорость охлаждения «горячего» контакта составляет IPabATd. Если обозначить посредством ^ тепловое сопротивление системы «горячий» контакт плюс термочувствительный элемент, то
^Т^ = 1РвЬЖТа.(12.30)
Это (вторичное) охлаждение в свою очередь приводит к появлению э.д. с. Vp в цепи, причем
V, = Pab^T^ = - IP^aT,.(12.31)
Полная э.д. с. V,, учитывающая возрастание температуры контакта вследствие облучения с учетом эффекта Пельтье, составляет
К = ^о + Vp = Ео - lP2ab^Td.(12.32)
Ток / в цепи связан с величиной V, соотношением
1 = VM + Rm),(12.33)
где ^-сопротивление ФЧЭ, ^-измерительное сопротивление. Таким образом, получаем
V0 = HRd^ Rm + Р^^Т,1).(12.34)
Из последнего выражения видно, что влияние эффекта Пельтье увеличивает электрическое сопротивление цепи на величину динамического сопротивления термопары:
Rdyn = P2b3TTd.(12.35)
Если тепло, подводимое к термочувствительному элементу посредством облучения потоком Ф, постоянно, то уравнение теплового баланса принимает вид
\Td!^ = ф - PabITd .(12.36)
П,./Я«^
формулы (12.35) и подставляя в (12.36). получим
I-P^IOOW1’
Следовательно,
дг, = ^Ф|Я, + О'-Rd + Rm + ”d„) ■U2j8)
В режиме холостого хода э. д.с. Ио и значение ДТ, для этого режима ДТ0 можно рассчитать, исключая из предыдущих выражении член, опи- сывающнй тепло Пельтье. Получаем
ДТ0 = ^Ф. Г0 = Р.6ДТ0 = Л»2'Ф.(12.39), (12.40)
Таким образом, формулу (12.37) можно переписать, выражая / через напряжение холостого хода:
I = V0,\Rd + Rm + T^dyn) •<I241)
Величину bTd можно выразить через АТ0:
Md = ДТ0(^ + RJKRd + Rm + Rdyn).(12.42)
(12.43)(12.43)Чувствительность термовольтаического приемника при постоянном потоке мощности облучения Ф равна
(12.43)
(12.43)
^ = ^/0 = 6?^.
Здесь 8—доля падающего потока, которая поглощается. Для получения высокой чувствительности необходимо выбирать материалы с большим значением коэффициента термо-э.д. с. и высоким тепловым сопротивлением.
Чувствительность термоэлектрического ПИ к переменному потоку, меняющемуся по гармоническому закону, дается выражением ^е/^О+<о2т2)"1/2,.(12.44)
где т — ^(€-постоянная времени, #-теплоемкость чувствительного элемента, со-угловая частота колебаний потока мощности Ф. Вывод
последнего выражения приведен в [2]. Постоянная времени термостолбиков, полученных напылением, лежит в пределах 4 ... 50 мс в зависимости от типа и толщины материала, наносимого на поверхность гермостолбика, в котором поглощается излучение. Этот поглощающий слои увеличивает теплоемкость чувствительного элемента. Если чувствительный элемент заключается в запаянный стеклянный корпус постоянная времени определяется маршрутом распространения теплового потока. Высокоэффективный теплоотвод способствует снижению постоянной времени.
вданным- приводимым изготовителями, для выпускаемых
ВРСМЯ термопаР и термостолбиков преобладающей со- ставляющеи шума является тепловой шум.
Термопневматические приемники
В таких приемниках элемент, поглощающий ИК-излучение, помещается внутри газонаполненной камеры. Окно в одной из стенок камеры позволяет облучать этот элемент. Если возросший поток излучения достигает элемента, последний нагревается, и посредством передачи тепла нагревает газ в камере. Возрастание температуры газа вызывает повышение давления в камере, в результате чего деформируется тонкое гибкое зеркало, прикрепленное к одной из ее стенок. Степень деформации регистрируется отдельной оптической системой, содержащей источник и приемник излучения. Теория приемников этого типа дана в работе [3].
Пироэлектрические приемники
При поглощении чувствительным элементом такого приемника небольшой порции энергии ИК-излучения его температура повышается и меняется поверхностный заряд. С помощью соответствующей внешней электронной схемы колебания поверхностного заряда преобразуются в напряжение сигнала. Приращение температуры kTd чувствительного элемента связано с его теплоемкостью ^ и теплопроводностью ^ уравнением
У dkTJdt + ^ДТ, = Ф,(12.45)
где Ф-прирост потока ИК-излучения. Решение этого уравнения в случае, когда мощность облучающего потока меняется периодически по гармоническому закону, есть
ДТ^еФ^'41 + м2(^)2]-1/2,(12.46)
где е - коэффициент теплового излучения ФЧЭ, со-угловая частота колебаний потока Ф. При выводе этого выражения предполагалось, что излучение поглощается однородно во всем объеме образца. В работе [4] получена формула для отклика пироэлектрического приемника излучения. схема которого представлена на рис. 12.4, в виде
i)s = lp\Z\ = IpRel\ + <о2т2)“^2,,(12.47)
где 1 р-ш^Adi\Td, ^-пироэлектрический коэффициент, Z-импеданс. ^-эквивалентное сопротивление приемника с подключенным предусилителем, ie=ReCe, Се - эквивалентная емкость. Таким образом, напряжение сигнала vs можно выразить в виде
о, = <»И»АаДТ^<о)КД\ +ш2т^-1'2,(12.48)
где Ad-эффективная фоточувствительная площадь кристалла ФЧЭ. Подставляя выражение для ATd (12.46) в формулу (12.48), получаем vs = to^A^Re-$-4V + ю2(^)2]"1/2[1 -Ко2^]"1'2.(12.49)
Таким образом, выражение для чувствительности 34 имеет вид
Эквивалентная схемаЭквивалентная схемаРис. 12.4. Эквивалентная схема пироэлектрического приемника с предусилителем [4].
Эквивалентная схема
Эквивалентная схема
ю2т7]-1/2[1 + о)2т2]"1/2,(12.50)
где тт = У^- тепловая постоянная времени.
^ = »/Ф = ((0^л.е7?./^)Г1 +^ = »/Ф = ((0^л.е7?./^)Г1 +Зависимости приращения температуры Md и чувствительности X приемника от угловой частоты со входного потока ИК-излучения изображены на рис. 12.5. Чувствительность равна нулю на нулевой частоте и с ростом со растет до тех пор, пока частота не достигнет значения со = 1/тг . В области частот 1/тт ^ со ^ 1/те чувствительность не меняется. При частоте, большей 1/те, чувствительность изменяется обратно пропорционально со [4].
^ = »/Ф = ((0^л.е7?./^)Г1 +
^ = »/Ф = ((0^л.е7?./^)Г1 +
Теоретический предел обнаружения для тепловых приемников излучения
Поток излучения Ф, падающий на ФЧЭ теплового приемника, и поток, излучаемый ФЧЭ, состоят из отдельных фотонов. Темп поступления и темп испускания фотонов флуктуируют случайным образом; эти процессы не коррелированы сколько-нибудь заметно в пространстве и во времени. Такие случайные акты поступления и испускания
Рис. 12.5. Частотные зависимости ДТ и 3? для пироэлектрического приемника [4].
фотонов приводят к случайным флуктуациям температуры ФЧЭ. что в свою очередь вызывает случайные колебания выходного напряжения. Как показано в работе [2], флуктуации темпов поступления и испускания фотонов вызывают среднеквадратичную флуктуацию мощности потока излучения АФ2, равную
АФ2 = АкТ^М,(12.51)
где к -постоянная Больцмана, А/-ширина полосы частот. Т4- температура ФЧЭ, ^-коэффициент теплообмена между ФЧЭ и окружающей средой. Если чувствительный элемент приемника имеет площадь A d, постоянный коэффициент излучения в и теплообмен со средой носит радиационный характер, то
<S = ^AdT3d .<П.$Т)
Здесь о-постоянная Стефана-Больцмана. Подставляя это значение # в уравнение (12.51), получим
АФ2 = 16Л d/iasTj А/.(12.53)
Если тепловой приемник находится при температуре 300 К и имеет размер ФЧЭ 1 мм2, то в полосе частот А / = 1 Гц величина (ДФ2)1/2 составит 5,5- 10 12 Вт. Это значит, что при указанных условиях тепловой приемник, чьи характеристики обнаружения ограничиваются только флуктуациями поступающей и излучаемой мощности (без учета всех других источников шума), будет обнаруживать минимальное значение мощности излучения, равное
МЭШ = УдФ^=5,5-10'’2 Вт.(12.54)
Теоретический предел удельной обнаружительной способности D* составит в этом случае 1,8 • 1010 см • Гц1/2 • Вт-1.
В случае болометрических приемников (если исключить шум 1//) величину минимальной обнаружимой мощности можно получить, суммируя среднеквадратичные флуктуации, вызванные флуктуациями температуры и тепловым шумом приемника:
(МЭШ)2 = АФ2 + и2^2,(12.55)
где АФ2-значение из формулы (12.53), ^-чувствительность, ^-среднеквадратичное значение напряжения теплового шума. Используя (12.52), получаем
(МЭШ)2 = АкТ^^А- AkT^R^f/^2 . (12.56)
Преобразуя это выражение с использованием соотношений (12.7), (12.12) и (12.17), получим следующий результат в предположении, что ы2т2 « 1:
(МЭШ)2 = 4кТМ/ ^ +(МЭШ)2 = 4кТМ/ ^ +(^ —g^0ATd)2Т^^Т^а2 _(^ —g^0ATd)2Т^^Т^а2 _(12.57)(12.57)
(МЭШ)2 = 4кТМ/ ^ +
(МЭШ)2 = 4кТМ/ ^ +
(^ —g^0ATd)2
Т^^Т^а2 _
(^ —g^0ATd)2
Т^^Т^а2 _
(12.57)
(12.57)
(12.58)(12.58)При 8 ^ 1 и аДТ4 « 1 последнее выражение принимает вид (МЭШ)2 = 4kT5Aj^2/^o^Tda2H •
(12.58)
(12.58)
Это выражение показывает, что значение МЭШ для болометра не зависит от сопротивления ФЧЭ Rd. Оно также показывает, что можно оптимизировать болометр, выбирая материал с высоким значением а и низкой теплопроводностью ^. Поскольку тепловая постоянная времени тг выражается отношением ^/^ уменьшение теплопроводности ведет к росту постоянной времени, при условии, что теплоемкость не уменьшается при этом в такой же степени.
Для термостолбика минимальную обнаружимую мощность (МЭШ) можно рассчитать с помощью выражений (12.56) и (12.44):
(МЭШ)2 = 4АТМ/[^ + ^(1 + о>2т|)^2/(е2Р2ьТ,)],(12.59)
и. поскольку тг = ^^,
(МЭШ)2 = 4kTdAf^ + ЛД^2 + to2^2)/^2PabTdH •(12.60)
Входящие в это выражение теплопроводность и теплоемкость ^ и ^, складываются из следующих составляющих: <8 R и ^к (параметры чувствительного элемента); #д и ^ (параметры газа, заполняющего объем камеры, содержащей ФЧЭ); ^г и ^ с (параметры электрических выводов, идущих от элемента к внешним контактам). Таким образом,
9 = ^ + #, + ^, ^ = ^R + ^9 + ^С-(12.61),(12.62)
Если чувствительный элемент приемника на основе термостолбика помещается в вакуумированном пространстве, составляющие Ч>д и 8 g равны нулю. Это до некоторой степени уменьшает МЭШ; однако, поскольку тг = ^/^, уменьшение ^ приводит в то же время к росту инерционности. Основным способом повышения характеристик термостолбиков является применение материалов с высокими значениями коэффициента термо-э. д. с. РоЬ.
(12.63)(12.63)Предельное значение МЭШ пироэлектрического приемника дается формулой (12.53). Другим источником шума является тепловой шум чувствительного элемента. Таким образом, формула (12.55) применима и к пироэлектрическим ФЧЭ при использовании выражения (12.50) для чувствительности #. Полагая со2т2« 1, ф2т| > 1, е% 1, получим следующее выражение для среднего квадрата шума: (МЭШ)2 = 4kTd'8Д/ + 4kTdReAf/^2.
(12.63)
(12.63)
Таким образом,
Делены выше/т^ ш 7 ^Й"1*’"’ “ ДРУ™е величины были опре- в видетт - Формулу (12.64) можно переписать
(МЭШ)2 = AkT^fVT^S + ^2/(^2Xd2/?j] . (12.65)
Согласно [4], ^ и ^ зависят от площади Ad так, что во втором члене суммы в (12.65) зависимость от Ad пропадает, и от Ad зависит только первый член. Выражение (12.65), таким образом, показывает, что величину МЭШ пироэлектрического ФЧЭ можно уменьшить, уменьшая площадь Ad и выбирая материал с возможно более высоким значением коэффициента ^. (При этом мы не учитываем шумовые вклады других элементов ПК-системы, содержащей ПИ. например шум устройства считывания сигнала ФЧЭ.)
Хэвенс [5] вывел эмпирическое соотношение между мощностью сигнала, вырабатываемого тепловым приемником, и приращением мощности излучения, облучающего ФЧЭ:
V^/Rd = ^dФ^T/T, (12.65а)
где Vs-напряжение сигнала ФЧЭ; Rd-сопротивление ФЧЭ; (УФ-приращение мощности потока, облучающего элемент; ДТ-приращение температуры, вызванное НФ; Г-температура ФЧЭ (К); N - эмпирический коэффициент, величина которого зависит от типа теплового приемника и лежит в пределах от 1 до 100.
Хэвенс [5] предположил, что теоретическое минимальное значение обнаружимой энергии излучения при комнатной температуре должно быть приблизительно одинаковым для всех тепловых приемников и составляет
г/Ф^З-Ю"12 Дж. (12.656)
Здесь т-длительность импульса излучения, а размер детектора предполагается равным 1 мм2. Приравнивая НФ и МЭШ для этого случая, получаем
(МЭШ)2 = ЗЮ"9 Вт/т. (12.65в)
Здесь т измеряется в миллисекундах. Хадсон [6] видоизменил это выражение, введя эквивалентное выражение для D*:
D Предел Хэвенса = 5,38 Ю* У? • (12.65г) где т измеряется в миллисекундах. Современные тепловые ПИ. работающие при комнатной температуре, обладают характеристиками, близкими или слегка превосходящими этот эмпирический и в какой-то степени произвольно установленный предел.
ЭЛЕМЕНТЫ ТЕОРИИ ФОТОННЫХ
ПРИЕМНИКОВ ИЗЛУЧЕНИЯ
В фотонных приемниках ИК-фотоны, облучающие ФЧЭ. поглощаются, создавая при этом свободные носители заряда. Последние изменяют электрические параметры ФЧЭ. Этот процесс идет без сколь-
ко-нибудь существенного изко-нибудь существенного изменения температуры ФЧЭ. Ниже кратко
ко-нибудь существенного из
ко-нибудь существенного из
рассматривается теория четырехрассматривается теория четырехнаиболее употребительных эффектов
рассматривается теория четырех
рассматривается теория четырех
такого типа.
Фотопроводимость
В фотонных приемниках на основе этого эффекта, называемых фоторезисторами, НК-фотоны при поглощении генерируют свободные носители заряда, изменяющие электропроводность ФЧЭ. Это измене- ние электропроводности регистрируется электронной схемой (рис. 12.6). Если проводимость ФЧЭ (рис. 12.7) в результате поглощения фотонов возрастает, то его сопротивление Rd соответственно снижается.
Rd = lja,Ae,О2-66)
где /-длина кристалла ФЧЭ, Лс = wd-площадь его поперечного сечения. ое-электропроводность. В результате изменения сопротивления возникает напряжение сигнала, которое подается на предусилитель. Напряжение сигнала выражается следующей формулой:
v, = I^Rd + RdM,(12.67)
где I-ток, протекающий в цепи. Если схема работает в режиме постоянного тока (т.е. А/= 0 и RL»Rd\ то предыдущее выражение приводится к виду
г, = IZ^RdRJ<RL + Rd) ^ l^Rd,(12.68)
и далее
v,= V^RdKRL* Rd),(12.69)
v$ = ^VBRd?tRL + RdH^N/N).(12.70)
Здесь Rd = l/cewd, ae-электропроводность; /-длина кристалла ФЧЭ; и*-ширина кристалла ФЧЭ; d-толщина кристалла ФЧЭ; и-объемная, концентрация свободных носителей заряда; N- общее число свободных носителей заряда в кристалле ФЧЭ в отсутствие сигнального потока
ПредусилительПредусилитель
Предусилитель
Предусилитель
Рис. 12.6. Схема включения фоторезистора.
Рис. 12.7. Геометрия фоторезистора.
ИК-фотонов (N = пМУ, AN - приращение общего количества свободных носителей, вызванное сигнальным потоком ИК-фотонов; И5-напряжение питания.
Согласно работе [7], малосигнальные характеристики фотопроводящего ФЧЭ описываются следующими двумя уравнениями:
dAN/dt = Adv\£qAN/Tc, AN = NU) - N,(12.71),(12.72)
где p-квантовая эффективность преобразования ИК-фотонов в свободные носители заряда, Ad = wl-площадь кристалла ФЧЭ, Eq поверхностная плотность потока фотонов [фотонДсм2-с)], -^-среднее время жизни свободного носителя заряда. Решением этой системы уравнений для гармонического входного воздействия Eq s с частотой fc = toJlK (Eq = Eq 0 + Eq cos co, О является функция
I AA(/)| = Л^.А/О + «hc2)1/2 .(12.73)
Таким образом,
I A/V(/)|//V = AN/N = Л,п£,.4тс/[М(1 + «Л2)1/2] -(12.74)
Выражение для напряжения сигнала получаем подстановкой (12.74) в (12.70):
VBRadH^Vf—(Р75)
5 U^R^N^^Y'1'V 1
Формула (12.75) описывает амплитуду выходного сигнала фотоприемника при гармоническом потоке излучения на входе. Применение принципа суперпозиции, справедливого для линейных систем, дает возможность использовать формулу (12.75) в других случаях, когда входной сигнал имеет более сложную форму. Аналогичное выражение можно написать для спектров входного и выходного сигналов:
J = —^^^Л^с— {ф j(12.76)
Rd + Rl NY + 1(йст^
Здесь ^ {us}-преобразование Фурье переменной составляющей напря-
жения сигнала т.е. спектр напряжения сигнала; .^{Ф}-спектр потока на входе. В комплексном спектре напряжения можно пыде- лить амплитудную (модуль) и фазовую части.
/arg ^ {/arg ^ {(12.77)
/arg ^ {
/arg ^ {
1-^)11-^)1(12.78)(12.79)(12.78)(12.79)^4। <^ф) ।
1-^)1
1-^)1
(12.78)
(12.79)
(12.78)
(12.79)
RL + Rd N V/1 + tofxl
arg(^ {v,}) = arctg( - wcrc) + arg(> {Ф}).
Модуль передаточной функции, представляющей собой отношение спектра выходного напряжения к спектру входного потока, определяется
соотношением
(12.80)(12.80)^{rj VRa
(12.80)
(12.80)
^{Ф) R^RaN^A-ti^'
Фазовый сдвиг выходного сигнала относительно входного равен arctg( — (остс).
Виды шумов в фото резисторах и других фотонных детекторах описаны в разд. 12.3.5. В этом разделе будут рассмотрены выражения для ОСШ с использованием формулы (12.75) для напряжения сигнала на выходе фоторезистора.
Фотовольтаический эффект
Для фотовольтаического эффекта необходим р — //-переход, который создается в полупроводнике или на его поверхности. ИК-фотоны, поглощаемые в переходе или вблизи него, рождают электронно-дырочные пары, которые разделяются переходом. При этом возникает внешняя разность потенциалов, величина которой определяется числом поглощаемых ИК-фотонов.
Упрощенные зонные диаграммы р — //-перехода при фото вол ьтаи-
Рис. 12.8. Зонные диаграммы р - л-перехода, а-неосвещенный р-«-переход; б освещаемый р л-псреход.
Рис. 12.9. Вольтампсрные характеристики фотодиода.
а-засветка отсутствует, б-при засветке.
ческом эффекте представлены на рис. 12.8. На рис. 12.8. а показана картина зон в неосвещенном переходе. ИК-фотоны, облучающие переход и обладающие энергией hv, превышающей ширину запрещенной зоны, порождают электронно-дырочные пары в полупроводнике внутри перехода или вблизи него. На рис. 12.8.6 видно, что если фотон был поглощен в p-области недалеко от р — «-перехода, то порождаемый им свободный электрон будет «скатываться» по дну зоны проводимости в направлении к «-области. Это значит, что положение уровня Ферми в п- и д-областях меняется, так как в них появились соответственно свободные электроны и дырки. Относительный сдвиг уровня Ферми в этих областях вызывает появление разности потенциалов ДИ, которую можно зарегистрировать внешней электронной схемой. Если измерить с помощью такой схемы вольтамперную характеристику (ВАХ) фотовольтаического ФЧЭ (фотодиода), она окажется такой, как на рис. 12.9, где кривая а отвечает неосвещенному переходу, а кривая 6-освещенному. В отсутствие освещения ток во внешней короткозамкнутой цепи 1М (ток короткого замыкания) наблюдаться не будет. Точно так же в этом случае не будет наблюдаться напряжение холостого хода Ио в разомкнутой внешней цепи. Однако на практике некоторое количество фоновых фотонов с энергией, достаточной для того, чтобы вызвать межзонный переход, всегда облучает ФЧЭ, вызывая появление свободных электронно-дырочных пар. Поэтому ВАХ в действительности располагается между кривыми а и б. На кривой б указаны напряжение холостого хода Ио и ток короткого замыкания 1М. Ток, протекающий через переход, описывается следующим выражением:
f = ISaVexp^eVB/^kTd) - 1],(12.81)
где р - коэффициент неидеальности фотодиода (3 = 1 для идеального диода, р = 2.. .3 на практике)1’, 1ха-ток насыщения.
11 В действительности р лежит в пределах 1...3 и зависит от материала фотодиода и полярности ветви ВАХ.- Прим. перев.
Параметр 1^ выражается следующим образом:
U-eVD^U-VD.nW. (12'82) Здесь Dh. Р,-коэффициенты диффузии дырок и электронов соответственно (см2/с); Lh, Le-диффузионные длины дырок и электронов соответственно (см). Величины Lh, Dh) Le и Dc определяются выражениями Lh = V#^ = х/^^^Ч * D^kT/e^,. (12.83) L, = v^ = V^^ Пе = (кТ/е^с) (12.84) где щ. це-подвижности дырок и электронов соответственно; тА, г,- времена жизни дырок и электронов соответственно.
Однако уравнение (12.81) является неполным. Как отмечалось выше в этом разделе, в неосвещенном фотодиоде, работающем в режиме короткого замыкания (т. е. при VB = 0) протекает ненулевой ток, хотя это и не показано на рис. 12.9 (кривая а\ Появление этого тока (/sc) вызвано наличием фоновых фотонов, генерирующих свободные носители заряда. Кроме того, на практике в фотодиодах имеется и ток утечки. который можно представить в виде GshVB. где Gsh-эффективная шунтирующая р — л-переход проводимость. С учетом этого уравнение (12.81) может быть дополнено [7]:
/ = ZM[exp(eKfl/PATd) - 1] + /$с + GshV. (12.85) Так как ток Iм вызван тепловым излучением фона, его можно записать в виде
/« = ev\EqBAd, (12.86) где е-заряд электрона, т|-квантовая эффективность, Е в-поверхностная плотность фонового потока фотонов, ^-фоточувствительная площадь ФЧЭ. Величина Eq в определяется формулой
А,
нТСТи'фчТТ0ЛН0ВаЯ rpaHHUa °блаСТИ спектРальной чувствитель- ношиЕqXB-поверхностно-спектральная плотность потока (ho
тонов фонового излучения [фотонДсм2 мкм с)]Ф
1, = — ет\АлЕ
где ^ч. s~ поверхностная чения.где ^ч. s~ поверхностная чения.чл'(12.88)
где ^ч. s~ поверхностная чения.
где ^ч. s~ поверхностная чения.
плотность потока фотонов сигнального излу-
достигается наибольшеедостигается наибольшее“ ^ХТ^ Раб°ЧеЙ Т°ЧК°Й Для Фото™ода (такой, при которой ность нулевой ад™“ ^т^то6 СИ™ал/шУМ) является левая окрест- - 0), что требует подачи на фотодиод напря-
достигается наибольшее
достигается наибольшее
Обедненная областьОбедненная областьРис. 12.10. Режим обратного смещения фотодиода.
Обедненная область
Обедненная область
жения обратной полярности с помощью схемы, изображенной на рис. 12.10. Обратное смещение также увеличивает ширину обедненной области р — //-перехода. Это приводит к снижению постоянной времени, так как при расширении обедненной области в толщу полупроводника она захватывает все большую часть слоя, в котором происходит генерация носителей заряда фотонами. При этом носители, рожденные вне обедненной области, быстрее преодолевают расстояние от места своего рождения до ее границы, и постоянная времени уменьшается1).
При повышении обратного смещения в какой-то момент будет достигнуто значение VB, достаточно^ для того, чтобы электроны и дырки, ускоряясь в электрическом поле, приобретали энергию, достаточную для генерации новых носителей заряда из ионного остова кристаллической решетки. При дальнейшем повышении Ув умножение носителей заряда растет. В конце концов будет достигнуто состояние пробоя, когда свободные носители генерируются электрическим полем, возникающим в образце при подаче на него внешнего напряжения питания. Коэффициент умножения М определяется как среднее число электронно-дырочных пар, созданных одной первичной парой. Зависимость М от напряжения смещения Ув и напряжения пробоя УЬ(1 описывается выражением
1/М~[1 -<VB/Vbdy^. (1-89)
В экспериментах наблюдались значения эмпирического коэффициента
п В обедненной области благодаря наличию в ней электрического поля носители движутся гораздо быстрее, чем за ее пределами (они дрейфуют, а не диффундируют). Величина же постоянной времени определяется наиболее медленным процессом - диффузией, на которую с ростом Кв затрачивается все меньше времени. Кроме того, относительный вклад диффузии (по числу носителей) становится все меньше. Приводимый здесь механизм снижения инерционности фотодиода при росте Ип носит частный характер, так как предполагает наличие определенного соотношения между глубиной поглощения света и толщиной обедненной области. В хорошо спроектированных приборах, как правило, природа изложенного эффекта другая.- Прим, персе.
m от L4 до 4. Хейц и др" сообщали о кремниевых лавинных диодах со значением М вплоть до 106. Ток сигнала в лавинном диоде можно написать в виде
I,= -eMdE^M.(12.90)
Вместе с тем среднеквадратичное значение шумового тока, рассчитанное в [8]. составляет
il = 2dM4f.(12.91)
Здесь I определяется по формуле (12.85). Таким образом, ОСШ пропорционально 1/х/м. Это значит, что, хотя сигнальный ток и растет с ростом ЛЛ шум все же возрастает быстрее. По этой причине лавинные фотодиоды очень полезны в ситуациях, когда преобладает шум пред- усилителя, а не их собственный шум. В таких случаях возрастание шума с увеличением М не изменит заметным образом шума системы в целом, но может существенно повысить уровень сигнала.
Фотоэлектромагнитный эффект
В современных l^K-фотоприемниках этот эффект используется редко. Он состоит в следующем: облучающие полупроводник ИК-фотоны поглощаются вблизи поверхности с образованием электронно-дырочных пар. Последние диффундируют от поверхности в глубь кристалла, испытывая при этом действие индукции магнитного поля В, направленной вдоль оси У (рис. 12.11). Под влиянием этого поля электроны и дырки разделяются. В результате возникает разность потенциалов между противоположными гранями образца. Если замкнуть внешнюю цепь, ток в ней будет протекать постоянно, пока ИК-фотоны поступают к поверхности кристалла. Если оставить внешнюю цепь разомкнутой, как показано на рис. 12.11, разность потенциалов между гранями будет сохраняться, пока происходит облучение образца. В работе [9] получены
Выра*ения шя тока короткого замыкания /„ и напряжения поиемн™ ° ” РаСЧеТе Н3 СДИНИЦу ДЛИНЫ Фотоэлектромагнитного ирисмнИКа,
(12.92),(12.93)(12.92),(12.93)lsc = eEq.^LK\ + у), Vo = e£4$9L//[(l + ^od^ ,
(12.92),(12.93)
(12.92),(12.93)
где Eqs-поверхностная плотность сигнального потока фотонов [фо- тон/(см2 с)]; L-диффузионная длина при амбиполярной диффузии, Le или Lh в зависимости от того, какие носители являются неосновными;
4 = xs/L; /-расстояние между электродами; о- электропроводность материала ФЧЭ; d-толщина ФЧЭ; е-заряд электрона; 9 = 9е + 0Л; 0е = £це—холловский угол для электронов; 0А = 5цА-холловский угол для дырок. Выражения (12.92) и (12.93) справедливы при следующих условиях.
Слабое магнитное поле: ц2 В1 « 1.
Достаточная толщина образца, так что имеет место соотношение d/lLd % 1, где Ld-эффективная диффузионная длина при диффузии в магнитном поле, составляющая
(12.94)(12.94)bDhx^n + д) bn + р + (Ьр + и)9^9е _
(12.94)
(12.94)
Здесь b = рс/щ- отношение подвижностей электронов и дырок; л-объемная концентрация электронов; р- объемная концентрация дырок.
Проводимость образца достаточно высока, чтобы можно было всюду в нем применять условие электронейтральности.
Скорость поверхностной рекомбинации достаточно мала, что позволяет основной массе свободных носителей заряда диффундировать от места рождения вблизи поверхности в толщу образца [9].
Фотоэлектронная эмиссия (внешний фотоэффект)
Падающие на приемник фотоны поглощаются на его фоточувстви- тельной поверхности. Фотон передает всю свою энергию hc/X свободному электрону, находящемуся в приповерхностном слое материала ФЧЭ. Таким образом, кинетическая энергия электрона возрастает на величину энергии фотона. Прежде чем электрон оторвется от поверхности образца, он может при столкновениях с атомами кристаллической решетки передать им часть своей энергии1*.
Энергетические потери при этом могут быть весьма различными. Если электрон к моменту выхо а на поверхность все еще обладает энергией, достаточной для отрыва, он покидает образец. Кинетическую энергию эмитированного электрона можно написать в виде
Ek = hc/X — e^. (12.95)
Здесь Ек-кинетическая энергия освобожденного электрона, /юД-энер-
1> Правильнее сказать, что свободный электрон сталкивается не с атомами решетки, а с их колебаниями-фононами. В покоящейся решетке электрон движется без столкновений.- Прим, перев.
гия поглощенного фотона, ф-работа выхода электрона из приповерхностного слоя, е~ заряд электрона.
Если фотокатод, обладающий такой фоточувствительной поверхностью, поместить вместе с анодом в вакуумированную камеру (стеклянный баллон) и присоединить к внешней электронной схеме, как показано на рис. 12.12, то электроны, выбитые из катода при поглощении фотонов, будут притягиваться к аноду. Таким образом, в цепи через нагрузочный резистор RL будет протекать ток, пока фотоны с необходимой энергией облучают поверхность фоточувствительного мате
риала.
Постоянная времени фотоотклика в таком ФЧЭ ограничивается разбросом времен пролета электронов между фотокатодом и анодом. Ее значение может достигать 10“9 с.
К току, вызванному облучением ИК-фотонами, добавляется слабый
ток, протекающий в элементе даже в отсутствие облучения. Этот темновой ток определяет минимальный уровень облученности, который может быть обнаружен с помощью рассматриваемого приемника. Темновой ток в основном обусловлен термоэлектронной эмиссией; его
уровень зависит от температуры катода, фоточувствительной площади и работы выхода.
Наименьшее из полученных значений работы выхода составляет приолизительно 1 эВ. Это означает, что ПИ на основе внешнего фотоэффекта чувствительны лишь в очень коротковолновой части ИК-диа- пазона спектра. Достигнуто значение длинноволновой границы чувствительности около 1,5 мкм.
Можно существенно повысить чувствительность, добавив в баллон небольшое количество инертного газа. Электроны, эмитированные катодом, на пути к аноду ускоряются и, столкнувшись с атомом газа, ^„,И°НИЗИР0ВаТЬ еГ°' Таким способ°м число электронов, дости- В"°Да’ увмичить 8 100 рач ПО сравнению с числом электронов, освобождаемых при фотоэмиссии. Однако наличие поло-
жительных ионов в баллоне увеличивает время пролета электронов. Растет и разброс времен пролета и, значит, постоянная времени.
Электроны могут эмитироваться поверхностью материала и при ее бомбардировке высокоэнергичными электронами. Этот процесс вторичной электронной эмиссии был положен в основу ПИ, обладающих очень высоким внутренним усилением. Такие ПИ называются фотоумножителями. В них первичные фотоэлектроны фокусируются на втором электроде, где каждый из них порождает несколько вторичных электронов, которые в свою очередь фокусируются на третьем электроде, и так несколько раз. Фотоумножитель превосходит обе описанные разновидности фотоэлементов с внешним фотоэффектом. В нем можно получить коэффициент умножения фототока около 106, тогда как в газонаполненном фотоэлементе-102. Так как положительных ионов в фотоумножителе нет, его постоянная времени меньше, чем у газонаполненного, но больше, чем у вакуумного фотоэлемента.
Чувствительность ^ приемника с внешним фотоэффектом можно рассчитать следующим образом. Эффективная спектральная плотность сигнального потока фотонов, эмитируемых фотокатодом, составляет
П(Х)Ф5.х(Х)(Х/Ас).(12.96)
Здесь Ф$х(Х)- спектральная плотность мощности излучения, т) (X) — квантовая эффективность процесса фотоэмиссии. Если считать, что анода достигают все электроны, фототок выражается соотношением tfX) = enWJX)X/k(12.97)
Напряжением сигнала vs является изменение падения напряжения на нагрузочном резисторе RL (рис. 12.12); поэтому гДХ) = /Я(Х) Rl = RL е л (Х)Ф$,х(Х) X/hc.(12.98)
Так как чувствительность определяется как напряжение сигнала, приходящееся на единицу мощности излучения на входе (1 Вт), выражение для спектральной чувствительности ^ имеет вид
^ = у$(Х)/Ф4,х(Х) = RLe4WX/hc.(12.99)
Полный ток выражается формулой
^^"т^Ф.дДОА,(12.100)
а полная чувствительность составляет
а = Rl — (%(1)Ф, JWrfVf'VxW'fl-(12.101)
ПС О’О'
Для фотоумножителей в выражение для 55 следует добавить в качестве сомножителя коэффициент усиления. Пороговая чувствительность рас-
сматрнваемых приборов ограничена флуктуациями темнового гока, которые проявляются в виде шума напряжения на нагрузочном резисторе RL .
Теоретический предел обнаружения для фотонных приемников излучения
Вообще говоря, предел обнаружения фотонных приемников ИК-из- лучения обусловлен флуктуациями темпа поступления на приемник фотонов теплового фона. Эти флуктуации, называемые фотонным шумом, проявляются в виде шумового напряжения на внешних выводах приемника. Полный шум на выходе равен квадратному корню из средних квадратов суммы собственного шума приемника и фотонного шума.
В данном разделе рассматриваются шумы различного происхож
дения. которые встречаются в практике использования приемников ИК-излучения. в том числе фотонный, генерационно-рекомбинационный, шум 1//. тепловой н дробовой.
Фотонный шум. Средний квадрат флуктуаций числа фотонов, попадающих на поверхность в малом спектральном интервале длин волн ДХ, выражается формулой
(Дфвл(Ь)АХ)- = Ф4еХ(Х)ДХ[1 + у(^- I)’1], (12.102)
где Ф^х поток фотонов в расчете на единичный интервал длин волн (спектральная плотность потока фотонов), у—фактор когерентности, х = С1Г^*>С1 = hejk. Величина Ф9 х(Х)ДХ является суммой спектральных плотностей фонового и сигнального потоков. Будем считать, что фоновый поток излучается полусферическим равномерно нагретым абсо- лютно черным телом, окружающим ФЧЭ. Средний квадрат флуктуаций полного потока фотонов, облучающего ФЧЭ, в интервале длин волн (Х,Х 4- ДХ) равен
(Ф«ЛМДХ)2 = (Ф,.,.л(Х)Дл2 + (Ф,.х.в(Х)ДХ)2.(12.103)
Здесь Ф,Лл(Х)-спектральная плотность сигнального потока Ф, -спект- ральная плотность фонового потока.’ Ч,Х*
чаю^йФЧ^^п фотонов (в0 всем спектральном диапазоне), облу- чающии ФЧЭ, определяется формулой
(12.104)(12.104)ф, = 10Сф,.м(^ + Ф,д.а(Х)]А.
(12.104)
(12.104)
^™ ^а"^П0Т0К П°РОЖДает своб°ДНь1е носи
^8«)j = П(Х)(Х/Лс)Ф4 х(Х) ДХ.
Дисперсия (средний квадрат отклонения) шума потока носителей заряда поэтому составляет^
(ACgeJs = 2ri(X)^XiS(X)AXXdA/.(12.106)
Дисперсия шума потока носителей, генерированных фоном, выражается формулой
(GgcJi = 2n(X)^ X-B(X)AXv4dA/.(12.107)
Дисперсия шума полного потока есть сумма дисперсий шумов от этих двух источников:
(Ggen)^ = 2n(X)JdA/(^Xs(X) + ^хв(Х))АХ.(12.108)
Величина МЭШ есть мощность потока, деленная на ОСШ:
МЭШ = Ф$/ОСШ.(12.109)
МЭШ = Ф5[(Д5^1'2/(68вп)$ =
= [2nW^A/(^.xJX) + ^^(12.110)
Удельная обнаружительная способность D* определяется следующим образом:
D*W = V'W/MDUI..(12.111)
Таким образом,
D*W = n(X)(X//Zc)[2n(X)(^iXt$(X) + EqXB(X)) AX]"1/2.(12.112)
Переход от монохроматических шума и сигнала к проинтегрированным
п При выводе выражения (12.106) опущены важные моменты, которые необходимо отметить. Спектральная плотность мощности потока Фх отвечает поверхностно-спектральной плотности потока Eq х. В свою очередь для пуассонова потока, каким рассматриваемый поток фотонов в силу формулы (12.102) можно считать лишь приближенно, с интенсивностью EqXAd спектральная плотность мощности (в расчете на частотный интервал 1 Гц и при использовании только положительных частот) равна 2EqXAd. Далее, от среднего квадрата отклонения шума фотонного потока следует перейти к шуму потока носителей заряда, что можно сделать с помощью теоремы Бэрджесса (см., например, книгу: Ван-дер-Зил. Шум. Источники, описание, измерение.-М.: Сов. Радио, 1973, с. 26): если каждому из событий входного пуассонова потока ставится в соответствие случайное число N событий выходного потока со средним ^ = Т], то дисперсия выходного потока в N раз больше, чем входного. Приближение пуассонова потока с высокой степенью точности применимо при описании практических равновесных источников излучения, ответственных за равновесный фон; в то же время для когерентных источников сигнала (например, лазеров) оно не применимо, что следует иметь в виду при использовании формул (12.105) и (12.106) и при всех дальнейших выкладках.- Прим, персе.
по спектру значениям дает
D._——-.(12.113)
[ f Ф, х (X) (IX ] [ Г 2П (X) (Е,Л_, (X) + Е,. х. , (X)) dX ]1,2
В работе [10] введена величина D*, характеризующая порог обнаружения не в единицах мощности излучения, а в числе обнаруживаемых фотонов:
D: = пСХиГзтДХМ^.х.ДХ) + £Г,.хв (X)) rfX J ~ *'2.(12.114)
О
Из приведенных общих формул для D* и D* можно получить выражения для частных случаев: шума в случае действия одного только сигнала; шума, вызванного только фоном; когерентного приема; некогерентного приема.
Если можно пренебречь фоном (случай, почти никогда не встречающийся на практике), а сигнал монохроматичен, то
X/пШ\ 1/2 I
»*W = n(X)^[2n(X)Z^^А^ДХ]-!/2,
(12.115)
/ И (X) \ 1/2
^.иМГМЗпт^^(12.116)
Шум содержится в полосе сигнала (считаем ее узкой) и может быть оценен (см. гл. 1) с помощью формулы
Еял,.~^х- 1 +у)/(^_ 1)2,(12.117)
где х = с2ДТ, c2 = hc/k, у-показатель когерентности. Если можно пренебречь шумом сигнала (именно этот случай почти всегда встречается на практике), а сигнал и фон монохроматичны, то
D*M = (М'е)ц(Х$)[2n(Xs)£4Xfl АХ] '^2 . (12.118)
В отлнчие от носителей заряда, генерируемых монохроматнчным сигнальным потоком, фоновая генерация происходит в широком диапазоне спектра; поэтому
(12.119)(12.119)“‘^ = ^n(X-)[2l0 iiy^um^]"1'2.
(12.119)
(12.119)
Для многих ПИ ч(Х)-мало меняющаяся функция в диапазоне спект
ральной чувствительности, откуда следует1’
D*MD*M2^Eq>x.B<X)dX о2^Eq>x.B<X)dX о-1/2-1/2(12.120)(12.120)
D*M
D*M
2^Eq>x.B<X)dX о
2^Eq>x.B<X)dX о
-1/2
-1/2
(12.120)
(12.120)
(Хс-длина волны, отвечающая правой границе области спектральной чувствительности ПИ), а также
X,-1/2
Z>* = УЛ [2fo ^.x.sC^-)^]O^D
Часто полный фоновый поток фотонов обозначают символом QB [6]. Величина QB определяется формулой
Q^^E,.x.BWdX.<12122>
D*^D*^^/T-bc^Qe'^/T-bc^Qe'(12.123)см/с, А - Вт ■ с2 и ц = 1,(12.123)см/с, А - Вт ■ с2 и ц = 1,Таким образом, существует зависимость
D*^
D*^
^/T-bc^Qe'
^/T-bc^Qe'
(12.123)
см/с, А - Вт ■ с2 и ц = 1,
(12.123)
см/с, А - Вт ■ с2 и ц = 1,
Если Хс измеряется в микрометрах, с-в единицах
то
D*(AJ = 3,56 • 1018 Хс (1/QB)1/2 .(12.124)
Применить формулу (12.124) к фоторезисторам можно, введя в нее сомножитель 1/>/2, описывающий шум рекомбинации2’, что снижает предельное значение D*:
DM^ = 2,52- 1018Хс(1Ш1/2 -(12.125)
Поток фонового излучения можно уменьшить, если использовать охлаждаемый узкополосный фильтр или охлаждаемую диафрагму, ограничивающую поле зрения. Значения £>*(Х) в диапазоне прозрачности фильтра Xj — Х2 выражаются формулами
X /пГ к-1-1/2
О*(У =[_ 2E^.W-IXJ(12.126)
п Так как область спектральной чувствительности приемника на практике часто отвечает области быстрого роста функции Планка (ее «левому склону»), даже слабые колебания р (X) вблизи правого края спектральной полосы поглощения материала ФЧЭ способны существенно повлиять иа значение интегральной чувствительности ПИ к фоновому излучению (например, изменить ее вдвое) и, следовательно, на D*. Поэтому выносить ц за знак интеграла можно лишь при определенных условиях.- Прим, персе.
2f E,.x.BWdX ^■12f E,.x.BWdX ^■1XiXi-1/2-1/2(12.127)(12.127)
2f E,.x.BWdX ^■1
2f E,.x.BWdX ^■1
Xi
Xi
-1/2
-1/2
(12.127)
(12.127)
Коэффициент ослабления фонового потока охлаждаемой диафрагмой можно рассчитать, исходя из геометрических соотношений, как квадратный корень из отношения проекции телесного угла поля зрения к проекции полусферического телесного угла. Когда телесный угол ограничен правильной конической поверхностью с полным утлом раскрытия 0. величина О*(Х) находится умножением значения, получаемого из формулы (12.126), на [sin(0/2)J На рис. 12.13 представлен пример обсуждаемой ситуации, для которого произведены расчеты в случаях у = 1 и у = 0, т. е. для полностью когерентного (у = 1) и полностью некогерентного (у = 0) излучения.
Пусть Хг = 10,7 мкм, фон представляет собой абсолютно черное тело с температурой 300 К, а спектральная характеристика пропускания фильтра изображена на рис. 12.14. При этом теоретический предел D* выражается формулой
D*MD*M[ехр(с2/ХТ1)/Х4(ехр(с2/ХТ1) - 1)2]<7Х +[ехр(с2/ХТ1)/Х4(ехр(с2/ХТ1) - 1)2]<7Х +
D*M
D*M
[ехр(с2/ХТ1)/Х4(ехр(с2/ХТ1) - 1)2]<7Х +
[ехр(с2/ХТ1)/Х4(ехр(с2/ХТ1) - 1)2]<7Х +
10.7 мкм
1 [ехр^АТаАЛехр^/ХТ^ - l)2]rfX ■
10.5 мкм
(12.128)
Здесь множитель [sin(n/40)] 1 возникает из-за наличия охлаждаемойконической диафрагмы в конструкции приемника, что повышает D*(X)в [sin (0/2)] 1 раз (в данном примере 0 = л/20). Так как фильтр пол-ностью поглощает излучение за пределами полосы прозрачности
Рис. 12.13. Схема приемника с охлаждаемым фильтром.Рис. 12.13. Схема приемника с охлаждаемым фильтром.
Рис. 12.13. Схема приемника с охлаждаемым фильтром.
Рис. 12.13. Схема приемника с охлаждаемым фильтром.
Рис. 12.14. Характеристики пропускания идеального фильтра в диапазоне 10,5.. .10,7 мкм.
10,5... 10,7 мкм, можно считать его вне этой полосы идеальным излучателем (с коэффициентом излучения, равным 1). Далее, пусть Т х = 77 К, Тг = 300 К и можно считать р(Х) = 1 в диапазоне 0 < X < Хс. Заметим теперь, что первым интегралом в фигурных скобках в формуле (12.128) можно пренебречь, так как Т Х«Т2 . Поэтому для D* можно написать выражение
X 10,7
ВЧ^= , ^Н [exp^/XT,)/
2Лсч/7ЕС 10,5
/Х4[ехр(с2/ХТ2) — IJ^r/Xj-^^sin^)]"1 .(12.129)
X Г 1017 d*^ = ' I Ihc^/ucL Ю.5X Г 1017 d*^ = ' I Ihc^/ucL Ю.5dXХ4(ехр(с2/ХТ2)dXХ4(ехр(с2/ХТ2)-1/21-1/211)J sin (0/2)'1)J sin (0/2)'(12.130)(12.130)В случае у = 0 получим
X Г 1017 d*^ = ' I Ihc^/ucL Ю.5
X Г 1017 d*^ = ' I Ihc^/ucL Ю.5
dX
Х4(ехр(с2/ХТ2)
dX
Х4(ехр(с2/ХТ2)
-1/21
-1/21
1)J sin (0/2)'
1)J sin (0/2)'
(12.130)
(12.130)
Используя систему единиц СИ, вычислим значения интегралов для обоих случаев, подставляя следующие значения постоянных: h = 6,626-10"34 Втс2 (или Дж/Гц)-постоянная Планка; с = 3-108 м/с-ско- рость света; к = 1,38-10"23 Вт-с/К (или Дж/К) - постоянная Больцмана; X-длина волны в метрах. Значение теоретического предела D* при этом
таково:
(12.131)(12.132)(12.131)(12.132)D*(X,) = 1,3- 10й [sin(0/2)]-1 сМл/Гц/Вт,
(12.131)
(12.132)
(12.131)
(12.132)
D*(XC) = 1,7-1012 см-^/Гц/Вт,
что примерно в 50 раз превышает значение D*(XC), которое могло бы быть получено без охлаждаемого фильтра и холодного апертурного экрана.
На рис. 12.15 представлены зависимости 0*0^ от длинноволновой границы Хс при различных температурах фона, причем угол зрения приемника считается полусферическим. На рис. 12.16 показано, как
10101010ююДлина волны ЯДлина волны Я^ ю5 ^ wL^ ю5 ^ wL100100" 10С г< -101 о10" 10С г< -101 о10мкммкмРис. 12.15. Семейство зависимостей D* от положения правой границы спектральной характеристики чувствительности X.. для фотодиодов, работающих в режиме BLIP при различных температурах фона [12].
10
10
10
10
ю
ю
Длина волны Я
Длина волны Я
^ ю
5 ^ w
L
^ ю
5 ^ w
L
100
100
" 10
С г< -101 о
10
" 10
С г< -101 о
10
мкм
мкм
влияет на теоретический предел D* ограничение телесного угла зрения, в котором приемник может видеть фон.
В работе [11] показано, что в равновесных условиях дисперсия шума на выходе фоторезистора по меньшей мере вдвое превышает собственный фотонный шум излучения. Это значит, что для фоторезисторов предельные значения D*(XC) можно получить из кривых на рис. 12.15, уменьшая значения D* на этих кривых в ^/2 раз.
Генерационно-рекомбинационный (ГР) шум. Этот шум возникает в результате случайных процессов генерации и рекомбинации свободных носителей заряда при их взаимодействии с колеблющейся кристаллической решеткой. Напряжение шума генерации-рекомбинации было
Рис. 12.16. Повышение D* за счет сужения поля зрения приемника.
3 -охлаждаемый3 -охлаждаемыйПлоский угол поля зрения 0, градПлоский угол поля зрения 0, град/ апертура; 2-ФЧЭ; корпус.
3 -охлаждаемый
3 -охлаждаемый
Плоский угол поля зрения 0, град
Плоский угол поля зрения 0, град
рассчитано в работах [11, 12]:
vn = RdI {4тД//[ AZ (1 + 4л 2/ 2т 2)]}1/2 .(12.133)
Здесь N- среднее общее число свободных носителей заряда в фоторе- зистивном ФЧЭ; г-время жизни носителей заряда [11].
Токовый, 1/f, или модуляционный шум. Природа и физические механизмы этого типа шума неясны1’. Он наблюдался в неомических контактах, поверхностных слоях кристаллов и в некоторых случаях в объемных областях кристаллов. Этот шум можно уменьшить, применяя специальные технологии изготовления приборов. Существует общее эмпирическое соотношение для напряжения шума 1// в узкой полосе частот Д/:
v.-U^W^^Ra-(12.134)
Здесь /-постоянный ток, протекающий через ФЧЭ; Ad-площадь ФЧЭ; /-частота электрического сигнала (шума).
Тепловой (джонсонов) шум. Этот шум обусловлен случайным характером движения свободных носителей заряда в ФЧЭ в результате их столкновений с кристаллической решеткой. Этот шум присутствует независимо от того, приложено ли к ФЧЭ напряжение питания и протекает ли через него ток. Так как интенсивность колебаний решетки зависит от температуры, от нее зависит и интенсивность теплового шума. Выражение для напряжения теплового шума было получено Джонсоном:
v„ = VtkTRAf,(12.135)
Здесь /с-постоянная Больцмана, Т-температура ФЧЭ, Д/-ширина полосы частот, в которой измеряется напряжение шума [13].
Дробовой шум. Этот шум возникает из-за дискретного характера электрического заряда при переносе его через р — л-переход. Заряд переносится электронами и дырками. Отдельные акты переноса приводят к мгновенным импульсам тока, которые проявляются как шум тока или напряжения во внешней схеме. Выражение для напряжения дробового шума дано в работе [14] 3):
i>„=/г^/д/)1'2.(12.136)
Приемники излученияПриемники излученияfcfcЧастота, fЧастота, f
Приемники излучения
Приемники излучения
fc
fc
Частота, f
Частота, f
50
Рис. 12.17. Общий вид частотной зависимости напряжения шума фоторезистора.
Здесь /-постоянный ток через р — //-переход, е-заряд электрона.
Полный шум (дисперсия) для фоторезистивного ФЧЭ складывается из дисперсий отдельных составляющих, описанных выше в данном разделе (за исключением дробового шума):
(ГЛо1а1 = [(yn)ph + (Vn)j + (yJl/T + (tUgr]1* •(12.137)
Так как в фоторезистивном ФЧЭ р — //-перехода нет, дробовой шум не включается в сумму. Частотный спектр суммарного напряжения шума представлен на рис. 12.17.
ИЗМЕРЕНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК
ПРИЕМНИКОВ ИЗЛУЧЕНИЯ
В этом разделе перечислены и описаны основные параметры приемников ИК-излучения. Обсуждаются также показатели качества, позволяющие сравнивать приемники между собой. Затем описываются методы измерений характеристик приемников.
Параметры приемников излучения
„.Д?” 1"MepeH™ характеристик приемников ИК-излучения или при нализе их показании важны следующие параметры: 1) параметры ИК-излучения, падающего на приемник; 2) параметры выходного с^- и тепловой: о/обусловj£h £^^^^ Т0 Же пРоисхожДение, что вызванными их взаимодейХеТс «ofc носителей заряда, И формул исторически обустовтена пя^п«и^ИЯМИ Решетки. Разница названий которых эти формулы были почучены^ что ест^ мстодах анализа, с помощью рассматривается равновесный однородный обГем"^’ ПОСКОДЬ,КУ в одном слУчае гом -поверхностный контакт n«Hrinnr,u H °оьем материала (резистор), в дру- различие данных шумов и исчерпывается матеРиалов (диод). Однако этим ма, цитированную выше).- Прим иерее °б ЭТ0М подРобнее книгу'Еукинге-
нала (состоящего из полезного сигнала и шума); 3) размеры и геометрия приемника и его ФЧЭ; 4) параметры приемника как элемента электронной схемы; 5) температура приемника; 6) напряжение питания приемника.
ИК-излучение. Излучение, падающее на приемник, характеризуется распределением излучаемой мощности по длинам волн в спектре, частотой модуляции, положением пятна засветки на ФЧЭ и углом падения излучения на элемент. В лаборатории в качестве источника излучения обычно используется черное тело с температурой 500 К11. Точность измерений зависит от того, с какой точностью поддерживается температура черного тела и насколько равномерно нагрета полость излучателя (см. гл. 2).
Ось конуса излучателя должна быть слегка разориентирована относительно направления на ФЧЭ, так чтобы вершина конуса не была видна в направлении, перпендикулярном к фоточувствительной поверхности элемента. Мощность потока излучения, падающего на ФЧЭ, измеряется в ваттах. Фоточувствительная поверхность ФЧЭ подвергается воздействию также излучения, создаваемого окружающими предметами (фоновое излучение). Обычно излучение сигнала периодически модулировано во времени. Чаще всего модуляция создается с помощью диска с прорезями, который вращается с постоянной угловой частотой w и размещается между источником излучения и приемником. Такое устройство называется модулятором и создает основную частоту модуляции/. Мгновенную мощность Ф(/) излучения, падающего на приемник, можно представить в виде суммы ряда Фурье: Ф(0 = Фо + Ф1 cos(2k// + oj + Ф2со8(2-2л ft + о2) + ■ • ■ (12.138) Каждая фурье-составляющая имеет свою амплитуду Фк и фазу ок и представляет собой гармонический сигнал с частотой /, 2/, 3/, ... . Основная составляющая представляет собой сигнал с частотой f. Действующее (эффективное) значение ее есть
Ф, = ФЛ^. (12.139)
Спектр излучения может быть спектром абсолютно черного тела с температурой 500 К, к которому можно применить различные способы оптического фильтрования для получения необходимого характера спектрального распределения (см. разд. 12.4.3).
При измерениях для расчета параметров приемника используется действующее значение гармоники основной частоты модулированного сигнала.
Выходной сигнал приемника излучения. Выходной сигнал представляет собой сумму собственно сигнального напряжения vs (или тока i^
11 Используется также черное тело с температурой 573 К (300 °C).- Прим, перев.
Н шумового напряжения г„ (тока /„). За достаточно длительное время можно раздечить эти составляющие, поскольку полезный сигнал изменяется синхронно с входным сигналом Ф$. а шумовой независимо от него. Если мощность входного потока излучения периодически изменяется во времени, выходное напряжение сигнала можно записать также в виде периодической функции от времени.
г$(/) = Го + P^cos^n/t + Vi) + И2со$(4л// + у2) + ... •(12.140)
В общем случае амплитуда сигнала является функцией напряжения смещения Ув, приложенного к приемнику, частоты модуляции/, длины волны излучения X, входной облученности Е и фоточувствительной площади ФЧЭ Ad:
г$ = еДУвАД;ЕА4У(12.141)
В широком интервале значений мощности входного сигнала выходной сигнал яв.чяется линейной функцией от него. Поскольку здесь рассматриваются только такие (линейные) фотоприемники, отношение vJEAd дчя них-постоянная величина при заданных VB. f и X. Для многих приемников зависимости выходного сигнала от / и X можно разделить. В той области спектра, где такое разделение возможно, приемник будет иметь поддающиеся разделению (сепарабельные) характеристики. Здесь рассматриваются только такие приемники излучения. При указанных условиях выходной сигнал можно записать в следующем виде11:
Г, = р,(^ Е, A^v^ty (f), (12.142)
где г^(Х) и ty(/) нормированные функции со значениями, лежащими в интервале от 0 до 1.
В функциональной зависимости (12.142) зависимость сигнала от Ув также может быть в ряде случаев обособлена. Существуют, однако, приемники, не обладающие этим свойством; поэтому такое предположение о зависимости сигнала от Ув следует принимать с осмотритель-
Зависимость выходного сигнала от смещения V„ измеряется при източениВНЬ1Х нормированных частоте модуляции и параметрах потока на ” ВХ°Ае’ Н3 соответствУюЩие данные обычно ссылаются как на «определение оптимального смещения».
характепистикпйВЫХОДНОГО сигнала от частоты модуляции является Дя?™^ояннН^ приемнака- Измерения обычно провозом сх^нТр МОЩНОСТИ потока излучения на входе и фиксиро-
" Т0ЧН“' В ВИДС C- = W.-E^^ Л1»Ъ^-П,Ш. перга.
обнаружения частотой модуляции является та, при которой максимально отношение выходной сигнал/шум.
Зависимость выходного сигнала от длины волны излучения есть мера способности приемника реагировать на излучение с различными длинами волн. Измерения этой зависимости выполняются при фиксированных напряжении смещения и частоте модуляции. Результаты представляются в виде графика зависимости выходного сигнала, отнесенного к некоторой постоянной для всех длин волн мощности излучения, от длины волны X. Такой график обычно называется относительной спектральной характеристикой.
Вторая аддитивная составляющая выходного напряжения приемника излучения-это напряжение шума. Шум приемника-это напряжение или ток, не зависящие от входного сигнала. Действующее значение напряжения (тока) шума определяется как квадратный корень из среднего по времени квадрата разности мгновенного напряжения (тока) г (/)(/(/)) и среднего по времени значения напряжения (тока) v(/) (или /(Z))0:
»„ = kv^-v^2»„ = kv^-v^21/2Г...~| 1/2
»„ = kv^-v^2
»„ = kv^-v^2
, / = U^-i^2•(12.143), (12.144)
На практике средние значения v^ и /(/) часто равны нулю, так как применяется связь ФЧЭ с усилителем по переменному току. Поэтому выражения для ип и in принимают вид
Л 1/2Л 1/2(12.145), (12.146)(12.145), (12.146)
Л 1/2
Л 1/2
(12.145), (12.146)
(12.145), (12.146)
Шум приемника излучения представляет собой случайный процесс, интенсивность которого зависит от частоты модуляции и размера фоточувствительной площадки ФЧЭ. При некоторых допущениях можно показать, что ОСШ приемника прямо пропорционально квадратному корню из площади ФЧЭ при постоянных частоте и смещении. Напряжение шума измеряют, закрывая приемник экраном от источника излучения сигнала. В сведениях о приемниках шум указывают, относя его к единичной полосе частот (1 Гц) и выходным контактам приемника.
Можно характеризовать шум приемника, приводя графики семейства зависимостей шума ип от частоты/для различных напряжений смещения VB и указывая при этом полосу частот А/ в которой измерялся шум.
Размеры и геометрия приемников излучения. Обычно не возникает неясности при определении фоточувствительной поверхности в приемнике. Если ФЧЭ представляет собой тонкий плоский слой (как в случае напыляемых фоторезисторов на основе солей свинца), фоточувствитель-
п При этом предполагается, что модуляция сигнала отсутствует: гр) содержит только постоянную составляющую сигнала.- Прим, перев.
(12.147)(12.147)ная поверхность есть плоская поверхность напыленной пленки. В случае приемников с внешним фотоэффектом, колба которых имеет искривленную поверхность, в качестве фоточувствительной поверхности принимается плоскость, содержащая отрезки прямых-границ фогокатода. Положение точек на плоскости ФЧЭ определяется в прямоугольной декартовой системе координат. Чувствительность ^(.х, у) данного малого элемента ФЧЭ к излучению измеряется при помощи малого светового пятна (светового зонда). Эффективная фоточувствительная площадь выбранной фоточувствительной поверхности определяется выражением
(12.147)
(12.147)
Л, = ff ^(.\v)<Z.V<AV^
Телесный угол зрения приемника О есть телесный угол, в котором он принимает излучение, приходящее из окружающего пространства. Если фоточувствительная поверхность ФЧЭ плоская, то эффективный телесный угол представляет собой взвешенную сумму малых плоских углов, весовыми коэффициентами при которых являются косинусы соответствующих углов падения излучения. Такой угол называется взвешенным эффективным утлом зрения и обозначается Пе. Для ФЧЭ, обладающих круговой симметрией (т.е. таких, чувствительность которых не зависит от азимутального угла фй), для определения Qe можно использовать полный угол раскрытия конуса, ограничивающего поле зрения, 9:
(12.148)(12.148)Ое - л sin29.
(12.148)
(12.148)
Эффективный телесный угол для плоского ФЧЭ представляет, таким образом, проекцию телесного угла на плоскость ФЧЭ, поэтому эффективный телесный угол плоского ФЧЭ с полусферическим полем зрения составляет л стерадиан.u
Приемник излучения как элемент электронной схемы. Параметры приемника как элемента электронной схемы обычно зависят от исполь- ^Уе^ои области частот, уровня мощности выходного потока излучения мо^ия^ Т°Ка *’ пР°текаю^его чеР« ФЧЭ. Импеданс приемника можно написать в виде комплексной величины
(12.149)(12.149)Zd = Rd-у iXd,
(12.149)
(12.149)
стоя^наХ-Л0"^™6^ пРнемника- Равное отношению по- сгоянного напряжения к постоянному току т е
R,= V/I;
(12.150)
Стро'соТо^*^""*"" лишь первым приближением, хрфективиыи телесныи угол должен определяться соотношениемСтро'соТо^*^""*"" лишь первым приближением, хрфективиыи телесныи угол должен определяться соотношениемО =_К (9 = 0,ф = 0)О =_К (9 = 0,ф = 0)я, 2я, 2где Iгде Iе=ое=оJк (6, ф) sin бсозе^елф,Ф = оJк (6, ф) sin бсозе^елф,Ф = о-напряжение фотосигнала (ГОСТ 21934-83).- Прим. ред.-напряжение фотосигнала (ГОСТ 21934-83).- Прим. ред.
Стро'соТо^*^""*"" лишь первым приближением, хрфективиыи телесныи угол должен определяться соотношением
Стро'соТо^*^""*"" лишь первым приближением, хрфективиыи телесныи угол должен определяться соотношением
О =_
К (9 = 0,ф = 0)
О =_
К (9 = 0,ф = 0)
я, 2
я, 2
где I
где I
е=о
е=о
Jк (6, ф) sin бсозе^елф,
Ф = о
Jк (6, ф) sin бсозе^елф,
Ф = о
-напряжение фотосигнала (ГОСТ 21934-83).- Прим. ред.
-напряжение фотосигнала (ГОСТ 21934-83).- Прим. ред.
i = yj — 1; Xd-реактивная составляющая импеданса0.
При измерениях параметров приемника его подключают к усилителю и в некоторых случаях к источнику питания. Импедансом нагрузки ZL является импеданс внешней цепи, измеренный между контактами, которые используются для подключения к приемнику. Обычно импеданс нагрузки носит почти полностью активный характер’.
Температура приемника. В приемниках, работающих без охлаждения, температура ФЧЭ равна температуре окружающей среды или выше ее. В охлаждаемых приемниках температура ФЧЭ равна температуре хладоагента2’. Температура ФЧЭ оказывает сильное влияние на напряжение сигнала, шума и сопротивление ФЧЭ.
Электропитание приемника. Многие приемники излучения нуждаются во внешнем источнике питания, который может быть нескольких типов. Например, в" случае фоторезистора электропитание представляет собой прикладываемое к ФЧЭ электрическое напряжение. В общем случае сигнальные и шумовые характеристики приемника измеряются во всем диапазоне рабочих смещений. Так как и сигнал, и шум зависят от смещения и частоты модуляции, в сведениях о приемниках излучения, приводимых изготовителем, приводится оптимальная величина смещения, при которой на заданной частоте модуляции отношение сигнал/ шум достигает максимального значения.
Показатели качества
Используя параметры, приведенные в разд. 12.5.1, можно сравнивать различные приемники с целью выбора приемника, наиболее подходящего для данной задачи. Первое, грубое, сравнение проводится с использованием следующих показателей качества.
Чувствительность. Чувствительность в общем случае определяется как отношение выходного электрического сигнала к мощности потока излучения входного сигнала. Однако обычно эта величина строго определяется лишь применительно к периодическому входному сигналу. В этом случае, чувствительность определяется как отношение действу-
11 Изложенное нуждается в уточнении. Поскольку приемник излучения определен автором в начале главы как единый в конструктивном отношении элемент, он может включать (и в настоящее время очень часто содержит) дополнительные схемные элементы-нагрузочные резисторы, емкости, предусилители, корректирующие цепочки и т. п. Поэтому, согласно данным выше определениям. Zd и Rd скорее должны рассматриваться как внутренние параметры ФЧЭ, мало интересующие потребителя. Если же речь идет о выходном импедансе приемника, то обычно указываются нс статические, а дифференциальные (малосигнальные) параметры, имеющие лишь косвенное отношение к Rd и Х4.- Прим. персе.
ющих значений основной гармоники выходного электрического сигнала и мощности входного оптического сигнала. Чувствительность измеряется в единицах В Вт или A/Вт. Важно различать два возможных случая при определении Л:*
I) спектральная монохроматическая чувствительность
^)=W)AX.(12.151)
2) чувствительность к излучению абсолютно черного тела
аьь = VJO^.(12.152)
В последнем выражении поток излучения Ф5.ьь представляет собой интеграл по всему спектру от спектральной плотности мощности излучения абсолютно черного тела. Чувствительность обычно зависит от напряжения смещения Ув, рабочей частоты измерений / и длины волны излучения X.
МЭШ. Значение МЭШ есть та величина действующего значения мощности входного оптического сигнала, которая соответствует равному единице ОСШ на выходе приемника:
(12.153)(12.153)(12.154)(12.154)МЭШ = ФД^Я).
(12.153)
(12.153)
(12.154)
(12.154)
МЭШ можно выразить через чувствительность &\ МЭ^-иДУ^а^вМ.
О’^М = И^/ЛНАЛЛ'Уи^.Л.О’^М = И^/ЛНАЛЛ'Уи^.Л.(12.155)(12.155)Удельная обнаружительная способность (D*). Этот показатель качества определяется следующим образом:
О’^М = И^/ЛНАЛЛ'Уи^.Л.
О’^М = И^/ЛНАЛЛ'Уи^.Л.
(12.155)
(12.155)
Здесь /^-фоточувствительная площадь ФЧЭ; Д/-полоса частот электронной схемы, обрабатывающей сигнал ФЧЭ. Величина D* измеряется в единицах см-Гц1 2• Вт"1 и. Можно написать выражение D* через непосредственно измеряемые в эксперименте параметры:
D*Wb,№ = MdA/)> 2 [^A’-^/MW)]
Ф.хАХФ.хАХ(12.156)
Ф.хАХ
Ф.хАХ
Постоянная времени фотоотклика. Зависимость напряжения сигнала от частоты для многих ПИ может быть написана в виде
«,</) = г,(о/уг+^ч2, (12.157)
где (о = 2л/, т-постоянная. Если соотношение (12.157) справедливо для данного ПИ, величина т называется постоянной времени его фотоотклика. Если указанная зависимость к данному ПИ не применима, то
11 Некоторые авторы предлагают ввести для этой единицы измерения специальное. более компактное обозначение-Джонс, в честь К. Джонса (С. Jones), внесшего большой вклад в описание характеристик приемников. - Прим, перев.
Частота, ГцЧастота, ГцРис. 12.18. Частотные зависимости максимального значения D* (приведены расчетные зависимости для двух значений ас и экспериментальные данные) [16].
Частота, Гц
Частота, Гц
общепринятых способов определения постоянной времени не существует, и в каждом случае при использовании этого параметра необходимо давать его точное определение.
max n 2лmax n 2л4Egh)4Egh)(12.158)(12.158)Показатель D* f*. Этот показатель качества для приемников ИК-излучения предложен в работах [15, 16]. Величина D* есть максимальная удельная обнаружительная способность, определенная выше, а /*-верхняя граница диапазона частот, при которой значение D* снижается до уровня 0,707 максимального. Данный показатель позволяет сравнивать возможности приемников при их использовании в задачах с низким уровнем фона и высокой частотой модуляции сигнала. В работе [16] получено выражение для наивысшего возможного значения D*f*:
max n 2л
max n 2л
4Egh)
4Egh)
(12.158)
(12.158)
где oc-эффективное сечение поглощения фотонов, Ед-энергия фотонов, h-постоянная Планка. Графики зависимостей максимального значения D* от частоты для нескольких распространенных типов приемников изображены на рис. 12.18. Экспериментальные значения произведения D*f* составляют приблизительно 1017, тогда как расчеты с использованием эффективного сечения поглощения дают оценку между 1018 и 1019.
Измерение характеристик
Измерительное оборудование. Оборудование для измерения основных параметров приемников состоит из электронных измерительных приборов, источников излучения (черного тела, с перестраиваемой частотой модуляции и монохроматического), а также калибровочного приемника. В большинстве случаев эти приборы можно приобрести у различных
Рис. 12.19. Блок-схема установки для измерений сигнала и шума приемника излучения в диапазоне частот I кГц...1 МГц.
изготовителей и объединить в одну установку, отвечающую специфическим требованиям конкретных измерительных задач. Стоимость комплекта оборудования со средними возможностями достигает 100 тыс. долл., а более полный комплект может обойтись и впятеро дороже.
Электронные измерительные приборы обычно применяются для измерений сигнала и шума ПИ и включают предусилитель, усилитель и анализатор спектра. Дополнительную аппаратуру составляют генератор с калиброванным делителем выходного сигнала, используемый для калибровки основной аппаратуры, и регулируемый источник питания для обеспечения необходимого смещения на ФЧЭ. На рис. 12.19 показана блок-схема типичной измерительной установки, позволяющей проводить измерения сигнала и шума в диапазоне частот от I кГц до 2 МГц. Если необходимо измерять характеристики ПИ нескольких разных типов, обычно имеется несколько подобных установок, перекрывающих необходимый диапазон частот. Надо также иметь несколько различных предусилителей, позволяющих работать с приемниками, импеданс которых различен [17]. Предусилитель по возможности следует размещать рядом с приемником в экранированном корпусе, чтобы минимизировать входную емкость. Блок-схема аппаратуры для измерений характеристик тепловых ПИ в диапазоне частот 1...100 Гц изображена на рис. 12.20
Для измерения чувствительности приемника в первую очередь необходим стабильный источник ИК-излучения с известной спектральной характеристикой, оснащенный модулятором. Обычно для этой цели применяют имитатор абсолютно черного тела. Если используются модуляторы с фиксированной частотой модуляции, удобно иметь по
крайней мерс три таких модулятора, рассчитанных на частоты примерно 10, 100 и 1000 Гц. Излучатель должен обеспечивать точно известный поток излучения в плоскости расположения ФЧЭ, причем облученность должна быть равномерной в пределах фоточувствительного элемента. Спектральная облученность, используемая при расчете параметров ПИ, представляет собой действующее значение основной гармоники сигнала. При измерениях этого параметра следует учитывать излучение, исходящее от модулятора. Чтобы параметры приемников были легко сопоставимы, многие лаборатории придерживаются стандартной температуры излучателя (черного тела) 500 К. Для многих типов ПИ измерения проводятся при облученности порядка единиц микроватт на квадратный сантиметр.
Для измерения частотной зависимости отклика ПИ необходим источник сигнала с перестраиваемой частотой. В сущности, можно использовать любой оснащенный модулятором стабильный источник оптического сигнала подходящего спектрального состава, который позволяет работать с разными частотами. Облученность Е, создаваемая источником. должна быть равномерной в пределах ФЧЭ приемника. Для звуковых и инфразвуковых частот модуляции изготавливаются несложные механические модуляторы удовлетворительного качества [19]. Однако на частотах более 50 кГц механические модуляторы становятся неудобными и даже опасными: размер отверстий приходится уменьшать. а диаметр лопастей оказывается слишком большим для таких скоростей вращения.
В качестве источника излучения с регулируемой частотой модуляции в мегагерцевом диапазоне можно также использовать светодиоды. Аппаратура в этом случае весьма проста. Возможная блок-схема установки изображена на рис. 12.21. В ней используется режим автомати-
Рис. 12.20. Блок-схема установки для измерений сигнала и шума теплового приемника излучения в диапазоне частот 1... 100 Гц.
Рис. 12.21. Блок-схема установки для измерений с использованием светодиодов и электронной перестройки частоты модуляции в диапазоне до 1,5 М Гц.Рис. 12.21. Блок-схема установки для измерений с использованием светодиодов и электронной перестройки частоты модуляции в диапазоне до 1,5 М Гц.
Рис. 12.21. Блок-схема установки для измерений с использованием светодиодов и электронной перестройки частоты модуляции в диапазоне до 1,5 М Гц.
Рис. 12.21. Блок-схема установки для измерений с использованием светодиодов и электронной перестройки частоты модуляции в диапазоне до 1,5 М Гц.
ческой подстройки частоты сигнала по биениям (такой режим имеется в некоторых анализаторах спектра звуковых частот). Стабилизированное таким образом выходное напряжение всегда имеет частоту, совпадающую с частотой входного сигнала, на которую настроен анализатор. Таким образом, при перестройке анализатора в диапазоне рабочих частот частота напряжения, управляющего излучателем, автоматически отслеживает частоту настройки. Входной сигнал анализатора, стабилизированный по частоте, усиливается и подается на светодиод. Модулированное излучение светодиода фокусируется на измеряемом ПИ. Электрический сигнал с выхода приемника после усиления подается на вход анализатора спектра.
Такая схема, помимо простоты, имеет два других преимущества. Во-первых, быстро выполняются измерения частотной зависимости фотоотклика, поскольку требуется лишь один канал управления частотой (без каких-либо дополнительных подстроек). Во-вторых, высокая избирательность анализатора спектра обеспечивает высокое отношение сигнал шум, поэтому можно использовать сравнительно небольшие облученности.
55Главное неудобство этого метода измерений заключается в ограниченности области спектра ИК-излучения, создаваемого с помощью светодиодов. Серийно выпускаются светодиоды на основе арсенида таллия и арсенида индия с длинами волн 0,8 и 3,2 мкм соответственно. Для более длинных волн можно использовать светодиоды на основе тройных соединений.
5
5
Монохроматический источник ИК-излучения состоит из стабильного излучателя с широким диапазоном длин волн излучения, модулятора, монохроматора (или другого селективного спектрального фильтра) и оптической системы, направляющей поток монохроматического излучения на приемник. Лампы накаливания с вольфрамовой спиралью, штифты Нернста и глобары- широко распространенные излучатели, применяемые в зависимости от исследуемой области спектра (см. гл. 2). Поскольку выходные потоки излучения глобара и штифта Нернста искажаются при наличии воздуха, зги источники должны заключаться в специальные кожухи или стеклянные баллоны. Модулятор может иметь фиксированную частоту, его обычно размещают перед входной щелью монохроматора. Последний должен обеспечивать ширину спектра выходного излучения, не превышающую 1/25 центральной длины волны спектра. Так как могут возникать трудности с устранением рассеянного излучения, особенно в длинноволновой области, предпочтительнее использовать двойной монохроматор. Однако можно получить удовлетворительные результаты и с обычным монохроматором, если снабдить его соответствующими фильтрами [19]. Измеряемый и калибровочный приемники излучения попеременно освещаются оптической системой, помещаемой за выходной щелью монохроматора. Типичная блок-схема установки изображена на рис. 12.22.
Спектральную характеристику чувствительности приемника получа- . ют путем сравнения выходных сигналов измеряемого и калибровочного
измерений спектральной чувствитель-измерений спектральной чувствитель-Рис. 12.22. Блок-схема установки дляРис. 12.22. Блок-схема установки дляности.ности.
измерений спектральной чувствитель-
измерений спектральной чувствитель-
Рис. 12.22. Блок-схема установки для
Рис. 12.22. Блок-схема установки для
ности.
ности.
в ИК-диапазоне спектра на базе тройных и четвеРн™ состава. Это существенно расширяет возможности методов измерении описы
ваемого типа.- Прим, персе.
Рис. 12.23. Кривая, представляющая отношение спектральных характеристик чувствительности типичной термопары и калибровочного полостного приемника.
приемников при различных длинах волн излучения. В качестве калибровочного используют приемник с поглощающей полостью [20 22], однако он труднодоступен и неудобен из-за малой чувствительности и большой инерционности. Удобным калибровочным приемником является радиационно-чувствительная термопара, при условии, что ее спектральная чувствительность предварительно определена (путем сравнения с полостным приемником). Отношение спектральных чувствительностей типичной термопары и полостного приемника представлено на рис. 12.23. Можно видеть, что относительная чувствительность спадает довольно плавно с длиной волны, так что нетрудно скорректировать результаты при использовании термопары вместо полостного приемника. Так как чувствительность теплового приемника может быть неоднородной в пределах фоточувствительной площадки [23]. оптическая система, помещаемая за выходной щелью монохроматора, должна быть отъюстирована так, чтобы термопара освещалась целиком. Сам монохроматор должен обеспечивать достаточно однородное заполнение светом выходного зрачка.
Методы измерений. Методы измерений можно разделить на две группы. Первую составляют методы определения чувствительности приемников, а вторую - методы определения спектральной плотности мощности шума приемников. Блок-схема электронной части установки одна и та же для обеих групп. Один из примеров представлен на рис. 12.19 применительно к хорошо известному фоторезистивному приемнику, требующему определенного напряжения питания (смещения).
Для определения чувствительности приемника необходимо выполнить три отдельные измерительные процедуры. В каждой из них излучение сигнала должно падать нормально на поверхность ФЧЭ, а величина мощности потока излучения должна находиться в такой области значе- нии. где фотоотклик приемника пропорционален входному сигналу. В некоторых случаях необходимо экспериментальное подтверждение линейности такой зависимости.
Измерения чувствительности основаны на свойстве сепарабельности характеристик приемника [уравнение (12.141)]:
Г-(И- Ф„ Л„ кл = г, (И,, Ф„ Л J „.(К) ^ (Л.(12.159)
№™мСт„И,МО'1УЛЯТОр Д°ЛЖНЫ 6ыть KHaiueH“ фильтром, ограничи- воТара™ льн^ ”"”” Так' ЧТОбы выполнялось свойст- '
Первый шаг при измерениях чувствительности-определение рабочего диапазона смещений. Опыт работы с приемниками сходных типов часто подсказывает, какой приблизительно уровень напряжений питания следует установить. Диапазон смещений обычно охватывает по меньшей мере один порядок напряжения или тока. Верхний предел значений смещения, обычно называемый паспортным максимально допустимым смещением, устанавливается изготовителем и указывается в документации на приемник. Следует принять надежные меры предосторожности в том случае, если измерения проводятся при более высоких смещениях. В этом случае необходимо внимательно следить за шумом приемника и увеличивать смещение постепенно, небольшими ступенями. Для некоторых типов приемников работа при повышенных смещениях очень рискованна; для безаварийной работы необходим опыт проведения измерений с подобными приемниками.
После этого включают черное тело с модулятором, обеспечивающим частоту модуляции/, и направляют излучение черного тела на приемник. Центральную частоту анализатора спектра выбирают равной/ а генератор сигнала устанавливают на нулевой сигнал. Отмечают отсчет, и в дальнейшем облученность подбирают так. чтобы отсчет оставался неизменным. Сигнал приемника на холостом ходу представляет собой напряжение на градуировочном сопротивлении. Затем повторяют процедуру до тех пор, пока не будет перекрыт весь диапазон смещений.
Поток излучения Фх, падающий на приемник, находят исходя из известной облученности Е, умножая ее на площадь ФЧЭ Ad: Ф$=АаЕ.(12.160)
Соответствующая чувствительность приемника излучения рассчитывается по формуле
^ъь^.Л^вДУ^Л/Ф,.(12.161)
Далее, настроив анализатор спектра на частоту /и подавая смещение на приемник, освещают его монохроматическим излучением. Центральную длину волны излучения на выходе монохроматора варьируют в пределах требуемого спектрального диапазона и фиксируют относительные отсчеты сигнала us в зависимости от длины волны. После этого измеряемый приемник заменяют калибровочным и повторяют измерения, фиксируя зависимость urcf от длины волны. (У некоторых приемников спектральная характеристика чувствительности меняется при изменении смещения. Если различия существенны, необходимо измерять спектральную характеристику при нескольких различных смещениях.)
(12.162)(12.162)Относительную спектральную чувствительность г(Х) как функцию длины волны излучения вычисляют по формуле
(12.162)
(12.162)
yW = vs^rcf(X)/vref,
где Jf1H(X)-относительная спектральная чувствительность калибровой- кого приемника.
Затем приемник освещают излучением с переменной частотой модуляции. При изменении частоты модуляции постоянно подстраивают центральную частоту анализатора спектра так, чтобы эти частоты совпадали" Записывается напряжение сигнала приемника v$ как функция частоты/. После этого отключают излучатель и подключают генератор сигнала с калиброванным делителем напряжения. Варьируют частоту генератора в тех же пределах, что и частоту модуляции, подстраивая анализатор спектра так же, как при измерениях с засветкой приемника; в результате получают зависимость отсчета ис от частоты/. Относительную частотную характеристику чувствительности и(/) рассчитывают с помощью выражения
Г(/)=Г,(Л^)/^^(12-163)
где /0 такова, что г(/0) = 1п.
Частотная зависимость фотоотклика некоторых приемников может меняться при изменении смещения. Если такие изменения существенны, необходимо выполнить несколько циклов измерений по всему диапазону рабочих смещений.
Измерения шумовых характеристик приемников ИК-излучения требуют тщательной проверки аппаратуры и экспериментальных подтверждений того, что регистрируемый шум является шумом собственно приемника, нагрузочного резистора и предусилителя. Необходимо постоянно следить за тем, чтобы внешние источники помех не искажали результаты измерений. Может оказаться полезным включение в измерительную схему широкополосного осциллографа перед узкополосным фильтром. По характеру наблюдаемых осциллограмм можно судить о наличии или отсутствии в анализируемом сигнале посторонних помех, частности, источник питания не должен вносить заметного шума. Можно проверить источник питания на «бесшумность», помещая в схему взамен приемника проволочный резистор, сопротивление которого приолнзительно равно сопротивлению приемника. Затем на схему по- дзетгя питание и измеряется шум на. ее выходе. Шум, генерируемый че^з ^и™ РеЗИСТ°ре' "е ДОЛЖен за”исеть от тока, протекающего ники‘излхче1'тИеМНИКУ излучения прикладывается смещение. Все источ- ™ == =— г—
на которой сигналыТ и ^близкий своих^^-™^0 ВыбиРастся любая частота, измерения будут наиболее* точными).- Прим ^перев аЛЬНЫМ значсниям (при этом
диапазоне частот. Это напряжение в дальнейшем обозначается v0.
Далее приемник и нагрузочный резистор заменяются проволочным резистором, сопротивление которого приблизительно равно сопротивлению параллельно включенных приемника и нагрузочного резистора. Температура проволочного резистора поддерживается такой, чтобы создаваемый им тепловой шум был мал по сравнению с шумом усилителя. Вновь измеряется частотная зависимость среднеквадратичного значения напряжения шума на выходе схемы обработки. Это значение обозначается ио.
После этого включается генератор сигнала и устанавливается на калибровочном резисторе напряжение ус: этот калибровочный сигнал должен быть примерно в 100 раз больше шума приемника. Подстраивается частота анализатора спектра и регистрируется сигнал на выходе электронной схемы, отвечающий сигналу ис на ее входе. Процедура повторяется для ряда частот, охватывающего весь требуемый частотный диапазон. В результате получается коэффициент усиления схемы обработки сигнала как функция частоты дЦ").
Далее рассчитывается величина и* (квадратный корень из спектральной плотности мощности шума) относительно выхода приемника и условий холостого хода (RL = ос). При этом результаты измерений шума приемника корректируются, чтобы исключить из общего шума шум усилителя. Искомая величина измеряется в единицах ВД/Гц и рассчитывается по следующей формуле:
vt У и,) = {[^У ^ - ».2 МШ (Л - »т WRl )2}1,2k^f- (12.164) где Rd-сопротивление приемника. Тепловой шум ит нагрузочного резистора Rl в полосе частот А/ рассчитывается по формуле
у2 = 4kTRL^. (12.165)
Отметим, что Af-эффективная ширина полосы частот шума измерительной схемы-определяется выражением
М = f [g2 У)Ш dj, (12.166)
О
где <?(/)-коэффициент усиления системы как функция частоты, ^-максимальное значение дЦ*\ Частоту /т, отвечающую максимуму g(f)3 называют центральной частотой.
Расчет параметров
При измерительных процедурах используется сравнительно небольшое число различных режимов работы приемника, но если они были выбраны правильно, результаты измерений дают возможность оценить характеристики приемника в других режимах и при других условиях.
В функциональной форме чувствительность можно записать какjt = ^VBJAV(12J6?)
Параметры УВЛ* X входят в ^ только через зависящий от них сигнал, поскольку величины Е и А от них не зависят. Таким образом, имеем v, = tWA).<I2J68)
Так как параметры Ув. / и X разделимы практически для любого приемника, можно написать
г^гИ^Гу^сДХ).(12.169)
Характеристики гИ^вХ lfy^) и ^) можно измерить порознь и представить в виде графиков, причем зависимость рИ^в) используется для определения оптимального смещения, VyU) дает частотную характеристику, t\(X)-спектральную чувствительность.
В дальнейшем индекс г используется для обозначения номинальных значений параметров, вносимых в протокол измерений и в паспортные данные приемника, и индекс 1-для обозначения значений, которые имел бы приемник в интересующем нас режиме. Чувствительность приемника при смешении КВ1, частоте модуляции /, и длине волны излучения Xt находится из соотношения
^УвЛ,ЛгШУв^УуЦ\^хМW^'W^УвЛ,ЛгШУв^УуЦ\^хМW^'W(12.170)(12.170)
^УвЛ,ЛгШУв^УуЦ\^хМW^'W
^УвЛ,ЛгШУв^УуЦ\^хМW^'W
(12.170)
(12.170)
Так как чувствительность измеряется при воздействии излучения черного тела (обычно с температурой 500 К), используется следующее соотношение:
(12.171)(12.171)^ №н/гАпт) — ^ыЛвЛп ^)/Yp»
(12.171)
(12.171)
где Хм, длина волны ИК-излучения, на которой гх (X) имеет максимум. Величина ур определяется выражением
YP = Jo ^(МФ^дСГ)^/^ Ф1Л(Т)<УХ,(12.172)
где Фи(Т)-спектральная плотность мощности ИК-излучения абсолют- ° татеРатУР°й Гна Длине волны X. Далее, поскольку 1 нормирована относительно своего максимального значе-
^чу™ m",■ М0ЖН° П°Л°ЖИТЬ Х' = Х— "х(Х„„)=1. Тогда
(12.173)(12.173)а(к„,/1.х1)=^^У2 ^(^а^Уа мха
(12.173)
(12.173)
7р ЛУВ^ vy {fr} fx^r)’
номинальный параметрьГприе^
жалению, шум приемника™ полученнь,е ПРИ измерениях. К со- ум приемника как функция параметров Кв и / не является
сепарабельным (заметим, что собственный шум приемника не зависит от X). Поэтому пересчет напряжения шума к режиму и условиям, отличным от номинальных, приходится вести, опираясь на теоретические представления о шуме, с помощью формул, приведенных в табл. 12.3.
Набор значений параметров Ув, f и X, при котором величина D* достигает максимума (О*ах), обозначается (ИВр, fp, \р\ Отношение сигнал/шум максимально при напряжении смещения УВр и при частоте модуляции /р. Сигнал максимален при длине волны излучения Хр (напряжение шума от X не зависит). Имея значение D*aX3 можно определить D * для любой другой комбинации Ув, / и X с помощью соотношения
Я*(^1,/1А1) =Я*(^1,/1А1) =D*ax(VBpJpAp^D*ax(VBpJpAp^yn(yBPjP) wj «Afa m^j vn(VBVJ^ и'ДУВр) и,(/рЪАХРУyn(yBPjP) wj «Afa m^j vn(VBVJ^ и'ДУВр) и,(/рЪАХРУ(12.174)(12.174)
Я*(^1,/1А1) =
Я*(^1,/1А1) =
D*ax(VBpJpAp^
D*ax(VBpJpAp^
yn(yBPjP) wj «Afa m^j vn(VBVJ^ и'ДУВр) и,(/рЪАХРУ
yn(yBPjP) wj «Afa m^j vn(VBVJ^ и'ДУВр) и,(/рЪАХРУ
(12.174)
(12.174)
Пример расчета значений Jf, D* и МЭШ будет представлен ниже как образец пересчета параметров ПИ от номинальных условий работы к другим условиям. В этом примере рассматривается фоторезистор на основе селенида свинца (PbSe), работающий при температуре жидкого азота. Его параметры и характеристики представлены в табл. 12.4 и на рис. 12.24 и 12.25.
Положим, что нужно найти чувствительность и отношение сигнал/шум для следующей рабочей точки:
fx = 103 Гц, /В1 = 75 мкА, Х^б.Омкм.(12.175)
Из графика частотной характеристики (рис. 12.25, у) относительные
Рис. 12.24. Спектральная чувствительность [24].
Таблица 12.4. Результаты и условия измерений параметров фоторезисторов на основе PbSe [24]
Параметр
Значение
Результаты измерений Чувствительность по напряжению 5? (500 К,3,2-104 В/Вт
ОЭШ^зОО К. 90 Гц. 1 Гц)2,9-10"’ Вт/см2
МЭШ (500 К. 90 Гц, 1 Гц)L1 • Ю 10 Вт
D* (500 К, 90 Гц)1.8 -109 см ^/Гц/Вт
Хр (или Хта1)4,5 мкм
Оптимальная частотамодуляции7,2-10 Гц
D,V'1,2-1010 см- УгЦ/Вт
Постоянная временифотоотклика1,2 • 102 мкс
л kX^xWbb4,8
1
Условия измерений
Температура черного тела
Эффективное значение плотности потока излучения черного тела Частота модуляции
Шумовая полоса измерительного тракта
Температура приемника
Постоянный ток через приемник
Сопротивление нагрузки
Трансформатор
Относительная влажность
Расстояние фоточувствительной поверхности
ПИ от входного окна
Температура окружающей среды
Гемпература фона, попадающего в поле зрения
ПИ
500 К
7,7 мкВт/см2
90 Гц
5 Гц
78 К
50 мкА
106 Ом
Нет 31% 2,5 см
24 °C
297 К
1
1
Параметры фоточувствительного элемента
Ф™^^^(химическоеосаждение)
Темновое сопротивлениеin6
Поле зрения180°*
Материал оптического окнаСапфир
частоте^л^'^ "*' «“с™"™РО»аяио= как по
длине волны излучения,
так и по
значения фотоотклика е,(/) при 90 и 103 Гц равны
^(90Гц)=1, ^(Ю3 Гц) = 0,78. (12 176) taT*Z™“^ ^ 1225’6> "ия нЦд) при <7(50 мкА) = 9-10"3 В. „'(75 мкА) = 1,3-10- В. (12.177)
Рис. 12.25. Характеристики фоторезистора из селенида свинца PbSe при температуре жидкого азота [25].а-частотная характеристика; б-определение оптимального смещения; в - зависимость D* от частоты; г-спектр шума.Рис. 12.25. Характеристики фоторезистора из селенида свинца PbSe при температуре жидкого азота [25].а-частотная характеристика; б-определение оптимального смещения; в - зависимость D* от частоты; г-спектр шума.
Рис. 12.25. Характеристики фоторезистора из селенида свинца PbSe при температуре жидкого азота [25].
а-частотная характеристика; б-определение оптимального смещения; в - зависимость D* от частоты; г-спектр шума.
Рис. 12.25. Характеристики фоторезистора из селенида свинца PbSe при температуре жидкого азота [25].
а-частотная характеристика; б-определение оптимального смещения; в - зависимость D* от частоты; г-спектр шума.
Из графика спектральной чувствительности vx(X) (Рис- 12.24) можно найти значение vx при X = 6,0 мкм:
их (6,0 мкм) = 0,15.(12.178)
Из результатов измерений, приведенных в табл. 12.4, можно получить 0ьь(5ОмкА, 90 Гц, 500 К) = 3,2-104 В/Вт,
1/7р = ^(Хтах)Жь = 4,8.(12.179)
Подставляя найденные выше значения в выражение (12.173), получим
^(75 мкА, 103 Гц, 6,0 мкм) = 3,2 И04
= 2,6-104 В/Вт.(12.180)
Таким образом, для фоторезистора данного типа с помощью ФЧЭ 1 см2 при облученности 1 мкВт/см2, токе через ФЧЭ 1В = 75 мкА, частоте
гармонического сигнала/= I03 Гц и длине волны излучения X = 6,0 мкм ожидаемое значение выходного сигнала составляет 2,6 104 мкВ.
Чтобы найти значение О*(ГВ1,/1> X,), необходимо определить уровень шума при смещении ГВ1 и частоте /г Из спектра шума, представленного на рис. 12.25, г. находим с помощью интерполяции к частоте /= Ю3 Гц уровень шума на этой частоте при смещении 1В = 75 мкА. Для полосы частот 1 Гц системы обработки сигнала это дает
(12.181)(12.181)г„(75 мкА. 103 Гц) = 3J-IO'6 В, vJISOmkA, 7I02 Гц) = 6,2-10"6 В.
(12.181)
(12.181)
Теперь можно воспользоваться соотношением (12.174) для определения значения D*VVBvfv \XY Поскольку частота/р, отвечающая максимуму D*, согласно данным табл. 12.4 составляет 7,0 • 102 Гц. а соответствующий оптимальный ток смещения равен 150 мкА, можно написать
D^VBXJ„AP^D^VBXJ„AP^v„ (150 мкА, 7-Ю2 Гц)гя(75 мкА, 103 Гц)v„ (150 мкА, 7-Ю2 Гц)гя(75 мкА, 103 Гц)Д’^Л.Х^
D^VBXJ„AP^
D^VBXJ„AP^
v„ (150 мкА, 7-Ю2 Гц)гя(75 мкА, 103 Гц)
v„ (150 мкА, 7-Ю2 Гц)гя(75 мкА, 103 Гц)
yi(75 мкА) ОуСЮ3 Гц) y(Xj)и;(150 мкА) Vj (7-Ю2 Гц) 1 '
(12.182)
6 7- Ю-6D*(/fll,/„x1) = i,2-io105^_6 7- Ю-6D*(/fll,/„x1) = i,2-io105^_1,3-10-22,9 КГ21,3-10-22,9 КГ20,78 й0’15’0,78 й0’15’D*UBiJiA^ = L5-109 см-^/Гц-Вт 1.D*UBiJiA^ = L5-109 см-^/Гц-Вт 1.(12.183)(12.184)(12.183)(12.184)
6 7- Ю-6
D*(/fll,/„x1) = i,2-io105^_
6 7- Ю-6
D*(/fll,/„x1) = i,2-io105^_
1,3-10-2
2,9 КГ2
1,3-10-2
2,9 КГ2
0,78 й0’15’
0,78 й0’15’
D*UBiJiA^ = L5-109 см-^/Гц-Вт 1.
D*UBiJiA^ = L5-109 см-^/Гц-Вт 1.
(12.183)
(12.184)
(12.183)
(12.184)
Таким образом, для фоторезистора данного типа с площадью ФЧЭ 1 см2 при единичной полосе пропускания системы обработки выходного сигнала, облученности 1,0-10'6 Вт/см2 на входе и принятых в нашем примере значениях ожидаемое отношение сигнал/шум на выходе приемника составит 1,5 • 103.
МЭШ при параметрах IBXsfx, Xt принимает следующее значение:м™'-5ч&;)-,ч1^-и’«-"«'- №«»
При экстраполяции характеристик приемника к низкофоновым режимам необходимо проявлять осмотрительность.
Из рис. 12.16 видно, что теоретически значение D* может быть повышено при снижении уровня фоновой облученности приемника с помощью ограничения его поля зрения. Можно получить тот же результат, применяя охлаждаемые фильтры, а также в условиях, когда приемник работает в космосе и направлен на фон, температура которого может быть очень низкой. Однако при этом увеличение D* в общем случае сопровождается ухудшением других характеристик приемника.
Так как сопротивление ФЧЭ обратно пропорционально фоновой облученности, работа в низкофоновых условиях приводит к росту
сопротивления, что может явиться причиной возрастания инерционности системы до уровня, когда она ограничивается собственной /?С-по- стоянной приемника. Таким образом, первой жертвой, которую должен быть готов принести разработчик системы за повышение D*, является рост инерционности.
Увеличение D* при снижении фонового шума будет ощутимо лишь тогда, когда шум фона преобладает над всеми другими механизмами шума. Поэтому, чтобы применение приемника излучения в низкофоновом режиме было успешным, может потребоваться, например, снижение генерационно-рекомбинационного шума, который имеет тепловую природу, для чего необходимо снижать рабочую температуру приемника. Это может усложнить систему в целом, а также привести к росту потребляемой ею мощности.
Существует также целый ряд сложных и, вообще говоря, нелинейных явлений, проявляющихся в низкофоновом режиме работы, например, при очень высокой напряженности электрического поля [26-29]. а также вызванных смещением и эффектами памяти (приемником запоминается «история» его облучения) [30. 31].
Указанные нелинейные явления делают точные измерения параметров приемников в условиях низкого фона очень сложными и трудоемкими.
ПАРАМЕТРЫ И ХАРАКТЕРИСТИКИ СЕРИЙНО ПРОИЗВОДИМЫХ ТЕПЛОВЫХ ПРИЕМНИКОВ
На рисунках, представленных ниже, приводятся технические данные тепловых приемников. Они дают представление о параметрах тепловых приемников, которые можно приобрести сегодня, в том числе на основе термопары (рис. 12.26), термостолбика (рис. 12.27), фоточувствитель- ного термистора (рис. 12.28), ячейки Голэя (рис. 12.29), пироэлектрического элемента (рис. 12.30). Подробную информацию о коммерческих приемниках можно получить, воспользовавшись данными, представленными в спецификациях приборов, каталоге оптических приборов и систем. выпускаемых промышленностью, и библиотеке 1RIA, а также данными центральной лаборатории электроники ВМФ.
ПАРАМЕТРЫ И ХАРАКТЕРИСТИКИ СЕРИЙНО ПРОИЗВОДИМЫХ ФОТОННЫХ ПРИЕМНИКОВ ИЗЛУЧЕНИЯ
В этом разделе представлены данные по серийно производимым фотонным приемникам. В конце раздела обсуждаются некоторые уникальные свойства приемников на тройных соединениях. Приемники,
7272Td=300K
72
72
Ad: от 0,01-0,1 do 0,03-3 см2
Rd: am 5 до 15 Ом
Т: от 10 до 20 мс
Поле зрения 2л стерадиан 31\р^5Ы8т
^Хр/^ьь~2
Ю8Ю8**Е ^Ю9Е ^Ю910 12 14 16 1810 12 14 16 18Длина волны, мкмДлина волны, мкмРис. 12.26. Спектральная характеристика удельной обнаружительной способности D* (X, 10, I) приемника на основе термопары.
Ю8
Ю8
*
*
Е ^Ю9
Е ^Ю9
10 12 14 16 18
10 12 14 16 18
Длина волны, мкм
Длина волны, мкм
Шум приемника в основном тепловой и относительно малый. Низкое значение R, делает предпочтительным применение трансформаторной связи с предусилителем, если трудно применить предусилитель с соответственно низким входным импедансом. Спектральная характеристика чувствительности и постоянная времени существенно зависят от материала и плотности черного покрытия чувствительной площади. Спектральная характеристика зависит также от материала входного окна. Существуют черные покрытия, обеспечивающие распространение области спектральной чувствительности до 40 мкм.
представленные ниже, помещены в порядке возрастания длины волны максимума спектральной чувствительности (табл. 12.5 и рис. 12.31... 12.51).
Спектральные зависимости D*(X) для ряда серийно производимых фотонных приемников излучения изображены на рис. 12.52. Там же показаны зависимости, отвечающие теоретическим пределам обнаружения для фоторезисторов и фотодиодов при рабочей температуре фотоприемников 300 К и полусферическом поле зрения (плоский угол раствора конуса 180э).
Td-300^
Ad:om 1O*8do1wl
Rd: (m3 А? 50 0* т: от 4 до 30 мс
Поле зрения 2л стерадиан ^ьь- ат 1до 10В1Вт
ю8ю8iiЕ 109 соЕ 109 со\ ь 8 10 12 14 16Длина волны, мкм\ ь 8 10 12 14 16Длина волны, мкм^-^ Спектральная характеристика удельной обнаружительной способности Рприемника излучения на основе термостолбика.
ю8
ю8
i
i
Е 109 со
Е 109 со
\ ь 8 10 12 14 16
Длина волны, мкм
\ ь 8 10 12 14 16
Длина волны, мкм
Йхо^^^Г.^ И ^««“й Хот" применение трансформатора не является
У^^ь^пе™^аШИ со6ствснного ОСШ приемника требуется слейиалы.ый пред- ^.о^и^мат^"^^^«кменн зависят or материала
Td =300 К
Ad : от 10"% до 10"1 см2
Rrf: от 0,2 до 3,0 МОм г: от 1,5 до 8,0 мс Поле зрения Zet стерадиан $Ap: от ГО2 до 5-Ю3В/Вт ^3^2-
Рис. 12.28. Характеристики приемника на основеРис. 12.28. Характеристики приемника на основетермистора.
Рис. 12.28. Характеристики приемника на основе
Рис. 12.28. Характеристики приемника на основе
а-спектральная характеристика обнаружительной способности D*VK1AX б-частотная характеристика О*(Хр,/). Имеются термисторы с иммерсионными линзами, обеспечивающие более высокие эффективные значения D*. Существует связь между D* и т:
0* = 8- 10’^, когда т выражено в секундах.0* = 8- 10’^, когда т выражено в секундах.на основе ячейки Голэя (с алмазнымна основе ячейки Голэя (с алмазнымРис. 12.29. Характеристики приемникаРис. 12.29. Характеристики приемника
0* = 8- 10’^, когда т выражено в секундах.
0* = 8- 10’^, когда т выражено в секундах.
на основе ячейки Голэя (с алмазным
на основе ячейки Голэя (с алмазным
Рис. 12.29. Характеристики приемника
Рис. 12.29. Характеристики приемника
окном).окном)., р*и б - спектральная ха- а-частотная характеристика обнаружительной спосо н , используется пневматнче- рактеристика обнаружительной способности V А во^ожные материалы окна- ское устройство, связанное с чувствительн
окном).
окном).
алмаз и кварц.
Приемники излучения
$№
Глани 12
75
Tgi • ^^ ’ ^4: диаметр от /мм до 1см;
R^ ~ Ю11 Ом; поле зрения 2л стерадиан;
Частота, ГцДлина волны, мкм
10s
^ ю3^ ю2
Д Н1Я Т™!,...._...
NEP=5» Ю'^ВшТц'Rl”/D"^NEP=/(FS
Ю1 10°
1О"г
1(Г3
ТхЧ-ю* ri NEP = 10Г6
О * о I а I
г! NEP = KF5,Rl = 2OO
10° 1(Т Ю2 !03 10* Ю5 106 ю7 Ю8
Частота, Гц в
^22 ю- Характеристики приемника на основе пироэлектрического элемента, гобиосп! ОеЯсиГ^ЛУ<^обнаружительной спо-
Чтах F'=^t-^. Возможные м£™^г Ча^1НМ зависимость
5гвКъ.О, Наютовые^и™.материалы приемника KDP PVE, LiTaO,,
Для болылиаспа матернало,7*пТк<птота^к^С”^^ “““Рофовный эффект, показывающие, «по частотный диапазон пиоспл^^™ публикации- приводятся данные, У остальных неохлаждаемых тепловых ^пирч ^ чсских приемников значительно шире, «арагтернзовать одной гюсгоянной^^Их потные зависимости нельзя
Тцбтцо 12.5 Некоторые характеристики серийно производимых фотонных приемников
М а сериал
Рабочая температура
Рис гл. 12
Si
Si PbS PbSc InAs InSb Ge: Au Ge:Hg Ge: Cd Ge:Cu Ge: Zn Si:As и Si:Ga Hgl.,CdxTe Pb, _,Sn,Te
300
1
31
300
32
300,
193, 77
33 35
300,
145...250, 77
36 38
300,
195, 77
39 41
300,
77
42, 43
77
44
5
45
5
46
5
47
5
48
20
49
77
50
77
51
Температура окружающей среды Тд = 300К
Ад: от 5-10'^до Ю^см2
Zj: от 50 до 2000 Ом
Время спада T-1Q нс 51х « 105В>[^ Усиление: от 75 до 500 Рабочее напряжение: от 1ЭД до 3000 В
Темновой ток: ат ОД до 1,5мкА
D* ^XpV 5,6 • 1013 см • xfTvJbm D*^ p_L06 mkm^2,Z • 1013 cM-WURm
Рис. 12 31. Относительная спектральная характеристика чувствительности крем- ниевого лавинного фотодиода при температуре 300 К.
При вводе приемника в режим лавинного умножения пронсх'^^вслучае когда шум
тельно больший рост шума Преимущества такогорежима проя^яют^^У^ предусилителя слишком высок для реализации собственног ро фотодиода
76
Приемники из. пченич
Td = 300K
Ad: широкий диапазон Rd : от 50 до 5 кОм т=2-107с
Я^р =650мА/Вт
Длина волны, мкм
300 К,^'^ Характеристики приемника на основе кремния при температуре
а - спектральная характеристика 0*(Х, 1000,1); б-частотная характеристика О’(Хр,/, 1). Существуют многоэлементные приемники, в которых элементы отстоят друг от друга на 0,6 мм и менее, а также приемники большого размера диаметром в несколько сантиметров. Величина Я зависит от напряжения смещения. Емкость может изменяться от 2 до 800 пФ в зависимости от напряжения смещения.
Глава 12
77
Td = 300K
Ad: от 4*10"6 до 16 смг
Rd = 4 МОм
Т: от 100 до 500 мкс
Поле зрения 180° (2л стерадиан)
~106Ъ/Ът
ЯЛРр/^ЬЬ-95
Длина волны, мкм
Рис. 12.33. Характеристики приемника температуре 300 К.
а - спектральная характеристика D*(X,90,1), противление приемника зависит от геометри квадратной формы.
на основе сульфида свинца PbS при
б-частотная характеристика D*(Xp,/, 1). Со-ФЧЭ. Приведенные значения относятся к ФЧЭ
78
Приемники излучения
Г те а 12
79
Td = 193K
A<f-от ^*Ю‘6 до 16 смг
Rd: ат 2 do 6 МОм
т= 5мс
Пале зрения IBO^Ztc стерадиан)
ЯХр^106%1%л\
Температура фона 300Кm
^Хр1^ъъ~501*5
S
Хю”
Частста., Гц а
го10
Ю
' ‘ 3 * длина волны, мкм
Td = 77 К
Ad: от 4 * 70'6 до 1S смг
Кд: от 10 до 50 MOnt т: от 600 до 4000 мкс
Поле зрения 2л стерадиан Температура фона 300К ЛХр-Ю6 В/Вт Яхр1®.ьъ~ 2-0
Рис. 12.35. Характеристики приемника на основе сульфида свинца при температуре 77 К.
P*W1M ^аРакт^»стики приемника „а основе сульфида
“‘’"•^ МВИСИТ “^'^рии ^ПриелХ^^ D*M. I). Сопро- качения относятся к ФЧЭ
свинца при темпе-
а-частотная характеристика £>*(Хр1/, 1); б-спектральная характеристика D*(X, 1000,1). Сопротивление зависит от геометрии ФЧЭ. Приведенные значения относятся к ФЧЭ квадратной формы
SO
Приемники излучения
Глава 12
81
Td=300K
Ад*.от~Ю'*до 1см2
R^: am 0,3 до to МОм Т £ J МКС
Поле зрения ?Х стерадиан Температура фона ЗООК гпХрй К)3 В/Вт «^Хр/^ЬЬ^З
Тд: от 145 до Z50 К
Ад: ат 25* КГ6 до 1смг
Кд: от 2 да 100 NIOm т; ат 10 до 1000 мкс Поле зрения Zot стерадиан Температура фона ЗООК Яа«105В1Втп
Яхр!Я-ьъ" 5
Рис. 12.37. Характеристики приемника на основе селенида свинца в диапазоне температур 145...250 К.
Длина волны, мкм d
^а^—" приемника
л-частотная характеристика D*(Xp3Y 6-спектральная характеристика D*(X, 800,1). Можно применять термоэлектрические охладители (например, выпускаемые фирмами SBRC и Optoelectronics). Параметры приведены для ФЧЭ квадратной формы. Сопротивление изменяется пропорционально отношению длины элемента к его ширине.
в
основе селенида свинца PbSe при
(Данные PSBRQ ^^Ристика Z)*(X, 1000 П н
tesss^™^^В,(Х-18*»
» ~ "Ss^s "^в^™"“ х^эа ™~ ф°₽-: увствительности ОТНОСЯТСЯ ^пп^^ корню из пло- Ся к пощади ФЧЭ от 0,1 до
?-спектральная
на
Глава 12
83
Приемники излучения
Частота, Гц а
Длина волны, мкм б
Рис. 12.38. Характеристики приемника на основе селенида свинца при температуре 77 К.
Тд=300К
да -.от 4-10^ до И *10"2 см2 : от 10 до 20 Ом
индия InAs при
основе арсенида
Рис. 12.39. Характеристики приемника на
температуре 300 К.
ников.
а-частотная характеристика D*V\,JY б-спектральная характеристика D*(X,800). Интервал значении сопротивления ФЧЭ относится к ФЧЭ квадратной формы. Сопротивление пропорционально отношению длины ФЧЭ к его ширине.
Td = I95^
Лсд от 10^до Ю'1 см2
Rd*. от 3 до 4 кОм
Т = 7 мкс
Поле зрения 2 л стерадиан Температура фона 300 К ЛХр/ЛЬъ«20
Длина волны, мкм
Рис. 12.40. Спектральная характеристика об”аР-^мп"Оа™рЛ^ О«(Х, 1000,1) приемника на основе арсенида индия при темпера уре
Приемник с термоэлектрическим охладителем выпускается фирмами
Td=77K
Ад'от 2-10^do КГ^2
Кд~100к0м т ~1 aikc
Поле зрения 2л стерадиан ^хр = ^/8/77 ^Xpi^b-61
Рис. 12.41 Характеристики приемника на туре 77 К.
Длина волны, мкмб
основе арсенида иидия при темпера-
10^
10 г
а - частотная
ность -Р-обр^^—ха^™- П*№ Возмож-
выяснять дополнительно Сопротивление зависит от
заштрихованной области необходимо площади элемента.
Глава 12
7^ = 77К
Ад* от Ю^ до 10 1 смг
Кд: ат 1 до 100 МОм
Т < 1мкс
Поле зрения 60°
Температура фона 300 К &Лр~ 10s В (Вт ^Xpl^-bb^ 5,0
z \ Шум СигнплХб
-Дале зрения 180
Сигнал и
. агул?
J-LXUilJI I l lim I ! | Ilin
101 ,
10110г103104 Ю5
Частота, Гц
Т^ЗООК
А^от 25-10^ до UT1 см2
Кд ~ 15Ом
Т < 1 МКС
Поле зрения гл стерадиан
T3VPSBllm ^ Ю0К
Qп иIVй
Частота модуляции, Гц
* О
777
109
S
< ЛГ
10
Длина волны, мкм
пературе 300IT^”0™™ пРие^ника на основе антимонил о. частптаантимонида индия при тем-
может характеристика D*(X fv я
" °тЬ ИК ^~™^^^^^Приемник
85
Длина волны, мкм6
Рис. 12.43. Характеристики приемника на основе антимонида индия при температуре 77 К.
а-частотные зависимости сигнала и шума; б-спектральная характеристика D*Qv 1000,1); «-типичная зависимость коэффициента увеличения D* от поля зрения. Сопротивление зависит от смещения и площади ФЧЭ. D* увеличивается при уменьшении поля зрения с помощью охлаждаемого экрана или ограничении спектрального диапазона с помощью охлаждаемого фильтра.
Ъ = 77К
А^: от 2*10'3 до 2* Ю^сл^
Rd £ 500 кОм т = 10 нс
Поле зрения 2ос стерадиан
ЯкрЗсЛО* В/Вт ^Хр!^^
Длила волны > мкм
б
Рис. 12.44. Характеристики приемника на основе Ge: Au при температуре 77 К. а-спектральная характеристика D*(X, 1000,1); б-частотная характеристика D*(Xp,/). Приемник обычно работает в криостате с жидким азотом. Фирма SBRC выпускает высокочувствительные приемники с сопротивлением более 1 МОм. Можно получить значение т = 2 нс, применяя специальную конструкцию криостата.
'd - v ••
Ад- от 10"1 до 10"*смг
Rd < 500 кОм /квадрат т < 100 нс
Поле зрения 50°
Температура фона 300К
ЯХр»Ю6 В/Вт ЯЛр/Яьь«1,7
Рис. 12.45. Характеристики приемника на основе Ge.Hg при температуре 5 К. ^спектральная характеристика 0Ч№ б-частотная характеристика D*VM^ получить т = 2 нс.
Id•• от 5 до 26 К
Aj* от 70** до ГО"1 см Rd: от 20 до ZOOkOai т< 1 мкс
12 46 Характеристики приемника на основе Gc Cd в диапазоне температур 5...26 К.
а частотная характеристика D*^Xp,f); б-спектральная характеристика D*(X,780,1).
Г шва 12
89
Поле зрения 60 ° Температура фона 300 К Я» : от 0,5 до 3,0 А)Вт
Частота, Гц а
Длина волны, мкм
6
Ad-om Ю^до 10'* см2
^ ^^QQ^^i^^pCLm
Поле зрения 60 °
Температура фона 300К ^XyOmlO^dolO^IBm »хР /Яц=г
Рис. 12.47. Характеристики прием- ника на основе Ge:Си при темпе- ратуре 5 К.
D*(ХС7Яп ^Ы,%я характеристика стика б-частотная характери- мого А\ит^ Применение охлаждаемого фильтра или экрана повышает D*
И К4. Можно получить т < I нс
а
Td-5K .
А^' от 10 ло 1СГ1 саг
Rd < 20 МОл!
t<! Л1КС
Поле зрения 60°
Температура фона 300Н ^Лр: от ОД до 0,5 А]Вт ^Xpl^bb^^
Длина волны, .мкм
а
Рис. 12.48. Характеристики приемника на основе Ge:Zn при температуре 5 К. у спектральная характеристика D*(X_,780): б частотная хар38^1107^^,^*^?^^ «-температурная зависимость О*(Хр,780); г частотная зависимость шума приемника.
Глава 12
91
^J™*Характеристики приемников на основе Si:As и Si:Ga при темпера-
ijp<iA ниже zu lx.
а,6-спектральная характеристика Z)*(X,780).
А д', от Ч* 10 е do 4'10^ см2 Ry: от 20 до 600 Ом
Т - от 100 до 800 нс Поле зрения 10... 130° Температура фона 300 К 51я = 10* В/Вт ^Xpl^-ьъ^' 2-
6 8 10 12 74 16 18
Длина волны, мкм
6
£
Ю"6^
10*
^ 10'7
Г Чувствительность
Ё
Шум
103
102
£
^ 10"3Ч
Oh
ю2.
103 10* 105 10 6 107
Частота., Гц
г
Рис. 12.50. Характеристики приемника на
^р!1сч ^12,5 мкм—
= 3,2- Ю10см*^Ги,1Вт
Длина волны, мкм
Частота, Гц
в
Ь ' 70 90 110 130
Температура приемника, К8
основе Hg.^Cd.Te при температуре
а-спектральная характеристика 7)*(^»Ю кГи), тельности [значения х равны 0,21 (кривая А). 0,2 кя 0*(Х /); г-частотная зависимость шума р ^*(Хр15 кГц).
о-спектральные характеристики чувстви- (В\ 0,17 (С)]; в-частотная характеристика .; д-температурная зависимость
при температурепри температуреоснове Pb^Sn/Teоснове Pb^Sn/Te^ск ,2-51- Характеристики приемника на^ск ,2-51- Характеристики приемника на
при температуре
при температуре
основе Pb^Sn/Te
основе Pb^Sn/Te
^ск ,2-51- Характеристики приемника на
^ск ,2-51- Характеристики приемника на
7^=77 К
Ад-отЗ^НО"5 до 1O'zcmz
Rd > 100 (Хм т< 1лтхс
Поле зрения 60°
Температура фона 300К^Хр '■ от 3,0 до 4,0 А /Вт
ж
^
Н
^ *(С 1 кГц); в - за-^ *(С 1 кГц); в - за-а частотная зависимость шума и D*; б спектральная характеристика ~ V‘* * ши; в-зависимость коэффициента увеличения D* от поля зрения; г-зависимость ширины запрещенной зоны Pbt_xSn,Te от состава сплава х [32]. Спектральная характеристика определяется величиной х.
^ *(С 1 кГц); в - за-
^ *(С 1 кГц); в - за-
Более подробную информацию можно получить от изготовителей, в Центральной лаборатории электроники ВМФ США, а также в библиотеке lRIA-центра.
Перечень производителей приемников излучения можно найти в Каталоге оптических приборов и систем, выпускаемых промышленностью.
1013101310п10п10 пг^^ 10ю10 пг^^ 10ю10s10s= РЬ8.300к -(среднее)= РЬ8.300к -(среднее)PbS,77K- X “Ge: Au" чп-тил80 К,PbS,77K- X “Ge: Au" чп-тил80 К,I InAsI InAsHgCdTe <77 КHgCdTe <77 КМаксимальное расчетное значение D* дляBLIP-режима (ЗООК, поле зрения 180 )Максимальное расчетное значение D* дляBLIP-режима (ЗООК, поле зрения 180 )РЬТе - фотодиод, 77 К ( выборочно) х У^9 0,73 Cd 0,27)ТеРЬТе - фотодиод, 77 К ( выборочно) х У^9 0,73 Cd 0,27)ТеФоторезисторыФоторезисторыsA^. 80К6е'.Аи(р-тил) ^е:Си(6О )J 77KGe:CdmSb (выборочной >-?sx -—/ .77К/Д t/sA^. 80К6е'.Аи(р-тил) ^е:Си(6О )J 77KGe:CdmSb (выборочной >-?sx -—/ .77К/Д t/Ge:Zn(J)4КGe:Zn(J)4КНа 0^0 Cd бДО) Те~Pb^SnzTeНа 0^0 Cd бДО) Те~Pb^SnzTeЦ78<х<аВ5 77Kro^Sn-ri \терлгисгт\грОЛ^МЗТТ]^^^^Ц78<х<аВ5 77Kro^Sn-ri \терлгисгт\грОЛ^МЗТТ]^^^^’Ь5е \|77К рЬ’Ь5е \|77К рЬPb$( выборочно) 300К/ 1ндцб? cd аз9)те/у х=0,39о0К
1013
1013
10п
10п
10 п
г
^
^ 10ю
10 п
г
^
^ 10ю
10s
10s
= РЬ8.300к -(среднее)
= РЬ8.300к -(среднее)
PbS,77K- X “Ge: Au" чп-тил
80 К,
PbS,77K- X “Ge: Au" чп-тил
80 К,
I InAs
I InAs
HgCdTe <77 К
HgCdTe <77 К
Максимальное расчетное значение D* дляBLIP-режима (ЗООК, поле зрения 180 )
Максимальное расчетное значение D* дляBLIP-режима (ЗООК, поле зрения 180 )
РЬТе - фотодиод, 77 К ( выборочно) х У^9 0,73 Cd 0,27)Те
РЬТе - фотодиод, 77 К ( выборочно) х У^9 0,73 Cd 0,27)Те
Фоторезисторы
Фоторезисторы
sA^. 80К6е'.Аи(р-тил) ^е:Си(6О )J 77KGe:Cd
mSb (выборочной >-?sx -—/ .77К/Д t/
sA^. 80К6е'.Аи(р-тил) ^е:Си(6О )J 77KGe:Cd
mSb (выборочной >-?sx -—/ .77К/Д t/
Ge:Zn(J)4К
Ge:Zn(J)4К
На 0^0 Cd бДО) Те
~Pb^SnzTe
На 0^0 Cd бДО) Те
~Pb^SnzTe
Ц78<х<аВ5 77K
ro^Sn-ri \терлгисгт\грОЛ^МЗТТ]^^^^
Ц78<х<аВ5 77K
ro^Sn-ri \терлгисгт\грОЛ^МЗТТ]^^^^
’Ь5е \|
77К рЬ
’Ь5е \|
77К рЬ
Термистор без погружения,Термистор без погружения,= РЬТе 77К1|__-—V^Pb^Sn^Te
Термистор без погружения,
Термистор без погружения,
_(среднееуЛ0,78са<0,85 77К
- InSb (ФЭМ)ЗООК _/Г
1.5 г,03,0 4,0 5,0 6,0 7,0 9,020,030,0 400 50,0 70,0
8,0 10,0600
Длина волны, мкм
Рис. 12.52. Спектральная характеристика Р* для серийно производимых приемников.
Характеристики приемников излучения на основе примесного кремния п
Разработки фотоприемников на основе примесного кремния Si: X получили заметный импульс в последние несколько лет ввиду открывшейся возможности использования таких приемников в монолитных интегральных схемах многоэлементных сенсоров, содержащих в одном кристалле ряд ФЧЭ и предусилителей. Так как работы по высококачественным приемникам на основе примесного кремния развернулись относительно недавно, в данном разделе представлен только краткий обзор их свойств. Для углубленного изучения явлений фотопроводимости в кремнии (и германии) мы рекомендуем работы [33, 34].
11 Этот раздел написан А. Дж. Стеклом (A.J. Sieckl. Renssalaer Polytechnic Institute. Troy, NY).
Рис. 12.53. Три механизма фотопроводимости [34]. в при тепловом равновесии; б-при поглощении излучения.Рис. 12.53. Три механизма фотопроводимости [34]. в при тепловом равновесии; б-при поглощении излучения.Длина волны, jhkai ►Длина волны, jhkai ►
Рис. 12.53. Три механизма фотопроводимости [34]. в при тепловом равновесии; б-при поглощении излучения.
Рис. 12.53. Три механизма фотопроводимости [34]. в при тепловом равновесии; б-при поглощении излучения.
Длина волны, jhkai ►
Длина волны, jhkai ►
Эффект фотопроводимости в собственном полупроводнике состоит в том. что фотоны с энергией, превышающей ширину запрещенной зоны, поглощаются, вызывая переход электронов из валентной зоны в зону проводимости (рис. 12.53). При собственном поглощении образуются как электроны, так и дырки. При фотопроводимости в примесном полупроводнике поглощаются фотоны с энергией, большей энергии ионизации примеси, в результате чего образуется один свободный носитель и один примесный ион. Третий возможный процесс, в котором проводимость полупроводника меняется под действием света,-это поглощение света свободными носителями заряда. Свободные электроны могут при поглощении света возбуждаться до состояний с большей энергией, при этом изменяется их подвижность и, следовательно, проводимость.
Энергия активации Et (эВ) примеси в фотопроводнике связана с граничной длиной волны Хс (мкм) области спектральной чувствительности приемника соотношением
(12.186)(12.186)Ei « hc/Xc % 1,24/XC,
(12.186)
(12.186)
где h-постоянная Планка, с-скорость света. Для спектральных диапазонов 3-5 и 8-14 мкм соответствующие энергии активации составляют приблизительно 0,25 и 0,09 эВ.
Чувствительность примесного фоторезистора к излучению с длиной волны X есть
^(X) = enXGp//ic,(12.187)
где е-заряд электрона, ц-квантовая эффективность, Gp-усиление фоторезистора.11 В свою очередь
(12.188),(12.189)(12.188),(12.189)Gp ^П> т] = (1 -р)(| -е-^Д! -pe-ad
(12.188),(12.189)
(12.188),(12.189)
ппимргип^' Д НИЖе Рассма1Ривается только «классический» режим работы ПРимесн\с Si-фоторезисторы могут работать и в ми - ПР^ персе Т0ГДа паРаметРы R- Gp. D* описываются иными формула-
где ц-подвижность носителей, т-время жизни избыточных носителей, /-напряженность электрического поля в фоторезисторе, /-расстояние между электродами, р-коэффициент отражения Si (% 0,31), а-коэффициент поглощения, d-толщина кристалла ФЧЭ. Ключевым параметром. определяющим уровень характеристик приемника, является коэффициент поглощения а:
a = oA^Ni-NcL(12.190)
где ая-сечение фотоионизации, ^-концентрация фотоактивной примеси, Nc-концентрация остаточной компенсирующей примеси. Время жизни фотогенерированных носителей описывается формулой
т = \iBTNc.(12.191)
где 5Г-коэффициент рекомбинации. Рост величины Nc влечет за собой ухудшение чувствительности вследствие снижения коэффициента поглощения и сокращения времени жизни. Отсюда следует, что к материалу ФЧЭ должны предъявляться жесткие требования в отношении концентрации остаточной примеси.
Обнаружительная способность примесного фоторезистора на длине волны максимума спектральной чувствительности Хр в ВЫР-режимс дается выражением
(12.192)
2hc V EqB
где Eq,B-поверхностная плотность потока фотонов. В табл. 12.6 представлены основные параметры ряда примесей в кремнии, чьи максиму-
Длина волны, мкм
Рис. 12.54. Спектральная характеристика чувствительности приемника на основе Si:Ga [35].
Таблица 12.6. Свойства приемников излучения на примесном кремнии для спектральных областей 3 5 и 8-14 мкм
Энергия ионизации, эВ
". (Ч).
КГ1» см2
Коэффициент рекомбинации В„ см3/с
Примесь
оптическая
тепловая
кр, мкм
Ч*\ мкм
т* Im^
у"
Si :А1
0.0685
0,067 ± 0,003
15,0
0,85
18,4
0,59
4
1,8- I0’6 (30...40 К,
Si: Bi
0.0706
0,069 ± 0,002
17.5
0,70
(27 К) 18,7
0,08
2
600 В/см) 1,0- 10"5 (30.„40 к.
Si: Ga
0,0723
0,074 ± 0,002
15,0
0,56
(29 К) 17,8
0,59
4
300 В/см) 1,0 10"4 (30.„40 К,
Si: Mg
0,107
0,108 ± 0,044
11,5
1,7
(27 К) 12,1
1,08
2
(570 В/см)
Si: In
0,155
0,153 ± 0,003
5,0
0,033
(5 К) '7,4
0,59
6
8,3-10"6 (60.„80 К.
Si.S
0.187
0,170 ± 0,010
5,5
0,2
(78 К) 6,8
1,08
2
Ю3 В/см) 0,55 10"6 (75...90 К,
Si: Ti
—
0,230 + 0,010
3,5
—
(78 К) 4,3
0,59
4
600 В/см)
(78 К)
б> Ч определяется здесь как длина волны, на которой 9? СкА/М (к ) = 1/7 е) Эффективная масса носителей заряда в единицах массы электрона.
г) ЬТСже1НЬ выР°ждения основного состояния примеси. Коэффициент 8Г определяется уравнением (12.191).
и л го
х
X
го Й Я
CD
Л го
2 го
* fa
у to а го
Е го л х Е 2 х
со *< 5
о л го *О
го
О)
to
9
го я го ж 5
а а
х го 2 л х ж ф со
К
X to
я
х
л
*< s
•и я ч
X fa го to X
X
га
О X
О to
д И го
I 00
к
к
го
to О Л to 2 х
to § л X го 2 I ф
о Хс
го 5 X ч го я to
СО
№ X я
1 Ф
Н я
О fa
1 fa
5 ж
X а
СИ fa
О Я го го
я
2 to ч го
X
о
X
ж о я to ж X X to to X
5
а с я
to ГО л а о го
X
о » о
.”■?? й
Б fa
to
1=0
•**I
X го X Е
ж to ж
to ч го тз X
§ я
го 2
го to
УtoX
ф СО to Ё Я
го ф го ч to га to
го § to со to
СО
X to ГО
Ч О я
45 го
К щ 51 У 2 в to к
ж X X
я
ж о л го
X го 2 л й ф я
2 ф X х о
fa ф СИ X ч to го я
о а ч "г"
2 к> я я л ф -1 ф
го ф л го
я
а to тз to
2
ж ч о
а
13 X
2 го л го X X го
. го
го ч^ ^ 8^0 | I со
X го 2 л й ф со го л го ф СИ ж ф § 2 Е 2 х ж to
to ж ч го а х го ч X ж to §
я
to
ф Хс X to >—< ж
го я fa X X го X X х< fa to го
ж to ж
СП
Е
X о to
9
а го х ст
го С о> о fa Е
° Н
ГО _ = 3
* "С =с X го 2 Я
X
X w
ГВ
X 56
Я to
о гз Я © я го
-а с
У w X
to го л а о
л X я
X to
о го л о to го
ио
to а со
л о ж to to to X Е
а to
х о
Л to го to to to х го X 2 ф го ч X
о си
X to -о
S to Л
О Хс
ГО а о го
Os
X X ж о to
X to
о го X о to го
со
О to
л
X
° iн »
л о го X ч го
Я
о л го ж
X jj
00
X я 2 го X to
л to
Ф Ф>-а
л о о ч X
я
х о
v<
о
я
X 2 го го я 2
х
2 го
GO fa
я
GO
S "2
го О о ч to го
го 2 л й о CD
X to Я
а
bJ
2^. го
го' § го
to
to Я ст л to я
to го ч to
го Я to X ф го ч to § я
л
л X
х я
X го 2
>
я
о о а го го
Ё
X ф со О
to л to to О Л to
CD X X
2 to X X го
X
ос
Я
2 ж
X о со
2
л
X го
2
ОО
2 to
to го W X к го
to си о ч to
си
Я
to
а о я х го X to
х л о
СИ о я го го
2 го й
ж 2
го 43 to СО X X ч го я О" X ф
л го fa to га X Ф
X "О
X to я го ж
га х
I to X X го
2 to ч го
я Я О го to
а
2 ж
2
х я
X
а го X to
о л го ж
to
О Хс
X го 2 х X ж to
2 х
X to
о го X о со го
со
о to
х
ио
to си Я
X to
X
X X
Я Я § to Л to to Ф л to
оо
to го ч to X ч го я ст л © го ч X
а
g о fa Я ч го я
Л to
i 2
х to X о> о X to Е 8
§ to я to w Ф X
а
Чувствительность, %
м
X ж У
го X о to го
Гласа 12
О з о ж
5 5
S у
я а я о
X
У
= 5 ж а у V
43
Температура, К
Рис. 12.56. Зависимость D* от температуры при различных плотностях фонового потока для приемника на основе Si: Ga [37].
Указаны экспериментальные значения, обозначенные соответственно методам выращивания кристаллов (затр., перепл.).
ширина запрещенной зоны определяется соотношением количеств теллурида ртути (HgTe) и теллурида кадмия (CdTe) в сплаве. Зависимости ширины запрещенной зоны от содержания кадмия х, а также спектральной границы области чувствительности Х.с от х приведены на рис. 12.58 и 12.59 соответственно. Таким образом, разработчик, выбирая надлежащую величину х для сплава ngx-^Cd^Te в соответствии с длиной волны сигнального излучения, может в принципе уменьшить влияние фонового шума благодаря тому, что такой приемник излучения будет чувствителен только в области спектра, лежащей левее длины волны сигнального излучения. Однако при уменьшении ширины запрещенной зоны с целью распространения спектральной чувствительности в более
1012101210111011I I 'Приемник 38I = 251 мкм w=76Zmxm Л d-1016 мкм..* ‘ (^=Z, Хр-^бмкм)е в =.7-Ю11*ратин*см 2*сI I 'Приемник 38I = 251 мкм w=76Zmxm Л d-1016 мкм..* ‘ (^=Z, Хр-^бмкм)е в =.7-Ю11*ратин*см 2*сПогрешность измерений tZO°AПогрешность измерений tZO°Aоо70706060△□△□100 Гц 1кГц5 кГи10 кГц100 Гц 1кГц5 кГи10 кГцС)10С)10Рис. 12.57. Зависимости D^ ОТРис. 12.57. Зависимости D^ ОТ2030«502030«50ю’о Юю’о ЮТемпература, Ктемпературы для приемника наТемпература, Ктемпературы для приемника наоснове Si: In [38].основе Si: In [38].
1012
1012
1011
1011
I I 'Приемник 38
I = 251 мкм w=76Zmxm Л d-1016 мкм..
* ‘ (^=Z, Хр-^бмкм)е в =.7-Ю11*ратин*см 2*с
I I 'Приемник 38
I = 251 мкм w=76Zmxm Л d-1016 мкм..
* ‘ (^=Z, Хр-^бмкм)е в =.7-Ю11*ратин*см 2*с
Погрешность измерений tZO°A
Погрешность измерений tZO°A
о
о
70
70
60
60
△
□
△
□
100 Гц 1кГц
5 кГи
10 кГц
100 Гц 1кГц
5 кГи
10 кГц
С)
10
С)
10
Рис. 12.57. Зависимости D^ ОТ
Рис. 12.57. Зависимости D^ ОТ
2030«50
2030«50
ю’о Ю
ю’о Ю
Температура, К
температуры для приемника на
Температура, К
температуры для приемника на
основе Si: In [38].
основе Si: In [38].
длинноволновую область требуется более сильное охлаждение приемника. На рис. 12.60 приведены зависимости максимальной рабочей температуры приемника, при которой он может функционировать в режиме ограничения шумом фона (background limited performance-BLIP) от спектральной границы чувствительности Хс и ширины запрещенной зоны материала. Максимально возможное значение D* (X) зависит от ширины
Приемники излученияПриемники излучения100100Рис. 12.58. Зависимость ширины запрещенной зоны от состава сплава Hg,.,CdxTe [40].
Приемники излучения
Приемники излучения
100
100
Сплошная линия относится к температуре 0 К, штриховая-к 300 К. /-межзонное магнитоотражение, 77 К; 2 - то же при 4 К; 3-оптическое поглощение, 300 К; 4-фотовольтаический эффект при 77 и 300 К; 5-фотолюминесценция. 12 К.
запрещенной зоны и фонового потока фотонов, облучающего приемник. Зависимости теоретически возможного значения D* (X) от длины волны Хг при различных значениях поверхностной плотности фонового потока приведены на рис. 12.61. На рис. 12.62 приведены те же зависимости, для которых, однако, в качестве параметра используется не плотность потока фотонов, а эквивалентная ей температура фона, что иногда может оказаться удобнее.
Если задается необходимое значение Xf, но при этом без ущерба для системы допустимо меньшее ОСШ, чем в режиме ограничения шумом
туре 77 К [41]. х' рН темпсра-
Яс, мкм
Зависимости максимальной температуры пРие”н"к*^^ может работать в BLlP-режимс, °т ширины запущенной материала приемника при различных плотностях фоновогФ
Рис.
12.60.
торой он
Глава 12103
Хс, ^клпХс, ^клп0,5 0,3 0,20,100.05 0,030,150,07Ширина запрещенной зоны, эВ0,5 0,3 0,20,100.05 0,030,150,07Ширина запрещенной зоны, эВРис. 12.61. Зависимости D* идеального фоторезистора от положения правой границы Хгспектральной характеристики чувствительности при различных плотностях фонового потока фотонов ЕчВ [42].Рис. 12.61. Зависимости D* идеального фоторезистора от положения правой границы Хгспектральной характеристики чувствительности при различных плотностях фонового потока фотонов ЕчВ [42].Рис. 12.64. Зависимость чувствительности ^(Л) типичного приемника - ~ соедннении от темпера-Рис. 12.64. Зависимость чувствительности ^(Л) типичного приемника - ~ соедннении от темпера-
Хс, ^клп
Хс, ^клп
0,5 0,3 0,20,100.05 0,03
0,150,07
Ширина запрещенной зоны, эВ
0,5 0,3 0,20,100.05 0,03
0,150,07
Ширина запрещенной зоны, эВ
Рис. 12.61. Зависимости D* идеального фоторезистора от положения правой границы Хгспектральной характеристики чувствительности при различных плотностях фонового потока фотонов ЕчВ [42].
Рис. 12.61. Зависимости D* идеального фоторезистора от положения правой границы Хгспектральной характеристики чувствительности при различных плотностях фонового потока фотонов ЕчВ [42].
Рис. 12.64. Зависимость чувствительности ^(Л) типичного приемника - ~ соедннении от темпера-
Рис. 12.64. Зависимость чувствительности ^(Л) типичного приемника - ~ соедннении от темпера-
Дс , Л7КЛ7Дс , Л7КЛ7Рис. 12.62. Зависимости D‘x идеального фотор^нстораот ширины запрещенной зоны материала при различных температурах фон LРис. 12.62. Зависимости D‘x идеального фотор^нстораот ширины запрещенной зоны материала при различных температурах фон LРис. 12.63. Зависимость Dt типичного темпеп^^^ соеДинении от температуры [43].
Дс , Л7КЛ7
Дс , Л7КЛ7
Рис. 12.62. Зависимости D‘x идеального фотор^нстораот ширины запрещенной зоны материала при различных температурах фон L
Рис. 12.62. Зависимости D‘x идеального фотор^нстораот ширины запрещенной зоны материала при различных температурах фон L
фона, разработчик может упростить систему, применяя не столь глубокое охлаждение. На рис. 12.63 и 12.64 приведены зависимости от температуры обнаружительной способности D*(a) и чувствительности ^ для типичного состава ТКР с длинноволновой границей спектральной чувствительности 14 мкм.
Подобные зависимости можно построить и для приемников излучения на основе ТСО, как и для приемников на любых других тройных соединениях.
13
ПРИБОРЫ С ЗАРЯДОВОЙ СВЯЗЬ'Ю
Э. Стекл^
ВВЕДЕНИЕ
Изобретение приборов с зарядовой связью (ПЗС) [1] открыло новые перспективы в развитии инфракрасных оптических систем тепловидения и теплопеленгации. Оно не только дало толчок качественному усовершенствованию таких систем-повышению их обнаружительной способности и пространственного разрешения,-но и способствовало более широкому их распространению благодаря снижению стоимости элементов, их миниатюризации, а также менее жестким требованиям к условиям работы приборов.
В основе действия ПЗС лежит формирование и последующий перенос зарядовых пакетов в цепочке одинаковых конденсаторов металл-диэлектрик-полупроводник (МДП). При фотогенерации зарядовых пакетов в полупроводниковой подложке с последующим переносом их (при помощи регулировки напряжений на электродах МД! 1-структур) из различных областей к единому выходному устройству ПЗС является твердотельным самосканирующим прибором, аналогом передающей телевизионной трубки (видикона). Если же вводить зарядовые пакеты в ПЗС электрическим путем, прибор будет работать как последовательный регистр сдвига, т. е. как линия задержки сигнала, в которой время задержки можно менять, управляя тактовой частотой. Простота физического принципа, лежащего в основе ПЗС, вместе с возможностью их использования как в качестве приемников изображения, так и в качестве регистров сдвига, обусловили замечательную функциональную гибкость этих приборов.
Обозначения, наименования и единицы измерения величии
В табл. 13.1 приведены используемые в этой главе обозначения, наименования (или выражения) и единицы измерения величин.
11 Andrew J. Steckl, Renssalaer Polytechnic Institute, Troy, NY.
1АА
Приборы с зарядовой связью^
1 w
Таблица 13.1.
Обозначения, наименования и единицы измерения
физических
величин
Обозначение
Наименование (или выражение)
Единица измерения
Вспомогательные константы
—
Л, Со
Полная емкость фоточувствительного эле-
Ф
С,
мента
Емкость диэлектрика на единицу площади
Ф/м2
поверхности
С
Взаимная емкость затвор-исток во вход-
ф
9$
ном устройстве ПЗС
D
Коэффициент диффузии
СМ-/С у,
Эффективный коэффициент диффузии.
см /с
€11
учитывающий комбинированный диффу-
зионно-дрейфовый характер переноса
Е
Напряженность электрического поля
В/м
Е,
Напряженность электрического поля в диэлектрике
В/м
Е$
Напряженность электрического поля в по-
В/м
лупроводнике вблизи поверхности
Ет
Минимальная напряженность краевого поля
В/м
L
Тактовая частота
Гц
Частота сигнала
Гц
G
Коэффициент усиления
Со
Проводимость ФЧЭ (омическая)
1/Ом
9*
JD 'd
Крутизна МОП-транзистора входного устройства ПЗС
1/Ом
Полный ток ФЧЭ
А
Ток стока
А
'l
Ток. протекающий через ФЧЭ
А
<2
Ток, инжектируемый в ПЗС из ФЧЭ
А
Зв
Плотность фототока, обусловленного фономг
А/м2
3d
Плотность диффузионного тока
А/м2
jG
Плотность тока, генерируемого в обедненной области
А/м2
3,
Плотность тока, генерируемого поверхностными состояниями
А/м2
к
L
Постоянная Больцмана
Длина затвора (в направлении протекания । ока)
Дж/К м
Ed
Диффузионная длина
м
м-3
КТ
no™™3™" акцепт°Риой "Р"меси в
^аих
Nu
Максимальное число носителей заряда Пп^аНЯСМЫХ на единиие площади Р ’ Ж™ плотность поверхностных
м-2
м"2
Л
ПЗС10 ЯЧееК Переноса' элементов переноса
—.
D
И(
Со”н“17о;”аЛИ К "«“₽— „ сителей заряда в^ол^рХ™™"™ И°"
Т-з
Продолжение таблицы 13,1
Обозначение
Наименование (или выражение)Единица измерения
Q QB
Величина зарядового пакетаКл
Поверхностная плотность фонового пото- м^с"1 ка фотонов
Qd
Поверхностная плотность заряда обед- Кл-м*2 ненной области
Qft
Величина зарядового пакета на конечной Кл стадии переноса
Qit
Величина зарядового пакета на начальной Кл стадии переноса
Qinv
Поверхностная плотность заряда в инвер- Кл/м2 сионном слое
Q,
Величина зарядового пакета в состоянии Кл термодинамического равновесия
4 So
Si
5
Заряд электрона1,610 19 Кл
Скорость поверхностной рекомбинациим/с
Площадь поверхностим2
Переменная Лапласа (аргумент преобра- рад/с зования Лапласа)
Время (помечаемое в каждом случае соот- с ветствующим индексом z)
lD ^FB VT
Vo
Время задержкис
Напряжение плоских зон МДП-структуры В
Пороговое напряжениеВ
Эффективное (за вычетомнапряженияВ
плоских зон) напряжение на МДП-струк- тУРеп
VG V,
Напряжение на затворео
Напряжение, падающее на диэлектрике В МДП-структуры
^ y.h -V x.
z
Опорное напряжениеВ
Средняя тепловая скорость электроновм/с
Расстоянием
Толщина диэлектрикам
Толщина обедненной областим
Ширина затвора (в направлении, перпеи-м
дикулярном протеканию тока)
a
P
Y А/ A<p Ду
Е/
(дл,/2г„ C.^JqN,“
Ug* 3$ + 3^/С,В/с
Ширина полосы частот
|ф,/ ~ ^olВ
Фазовый сдвиг
Диэлектрическая проницаемость диэлект- Ф/м рика МДП-структуры
8,
Диэлектрическая проницаемость полупро- Ф/м водниковой подложки
Eq £r
Диэлектрическая проницаемость вакуума Ф/м Относительная диэлектрическая проницае- — мость
108108Приборы с зарядовой связью
108
108
Продолжение таблицы 13.1
Обозначение
Наименование (или выражение)
Единица измерения
б. = (1 - nJ п
Неэффективность переноса заряда в ПЗС Квантовая эффективность
Him
Коэффициент эффективности инжекции
п.
Эффективность переноса заряда в ПЗС (на
единичный перенос)
Пх.Т
Полная эффективность переноса заряда
в приборе
р
Подвижность
р
Объемная плотность заряда внутри по-
верхности
Р/ to
Поверхностная плотность заряда в ди-
электрике
Сечение захвата носителей поверхност-
ными состояниями
^D
Постоянная времени диффузии
С
Время релаксации
•,
Постоянная времени эмиссии заряда ло-
вушками
т/
Постоянная времени передачи заряда на
т
конечной стадии процесса переноса
Фм.
Время жизни неосновных носителей заряда Работа выхода
ф.
Электрод /-й фазы и напряжение на нем
Потенциал поверхности полупроводника
по отношению к потенциалу равновесной
области в подложке (на тыльном кон-
такте) глубина потенциальной ямы
Конечное значение поверхностного потен- ала
Ф1О
™™ачНя0С ЗНаЧСНИе поаеРхностного по-
СО
Угловая частота
м2/(В с) Кл/м3
К л/м 2
м2
С с с
с
с
в
В
В
В
рад/с
связью0™ ПРИБОРОВ С ЗАРЯДОВОЙ
ЦЦ"Э °—« „^^ „№г , ^^
Ц
Ц
друг к Другу, и последующем ее пепемепаТ°Р°Вп расположенных близко напп0П0ЧКе М0ЖН°' подавая последоват^ТИИ" ПереМещать информацию ~ення- 8 Результате чет зар™ ° На конД™=аторы импульсы помещается в соседний. Зарядовыи '«кет из данного конденсатора сатор (риелз?)"'^' ^”1?я ячейка большинства ИЗО м пп
ной МДП-crnvi РИС' ^^ П01<азан режим y ^ МДП-конден- РУКТуре с ложкой р-типа п/РЛНения заРяда в ТИПИЧ- р типа. Положительное напряжение
109109Гпава 13
109
109
Рис. 13.1. Процесс релаксации в МДП-структуре.
р^, приложенное к верхнему металлическому электроду относительно тыльного контакта к подложке, приводит к отталкиванию от поверхности ocHOBiLbix носителей заряда (дырок); тем самым вблизи поверхности полупроводника создается обедненная область. Влияние смещения можно представить с помощью зонных диаграмм (рис. 13.2). Определим эффективное падение напряжения на МДП-конденсаторе как
Va=VG-VFB1 (13.1) где yFB-так называемое напряжение плоских зон МДП-структурып. Напряжение плоских зон складывается из члена (р^ (разность работы выхода металла и сродства к электрону полупроводника), и члена, учитывающего наличие заряда, фиксированного в слое диэлектрика:
(13.2)(13.2)1 7
(13.2)
(13.2)
VEB = Ф™ ~ 77— J ^P/('V)^X. ^1Х1 0
Здесь С/-емкость диэлектрика на единицу площади поверхности;
Энергия электронаЭнергия электронаЦизлектри чес- кий окисел/Цизлектри чес- кий окисел/-Ef-EfysoysovG-vFBvG-vFBПолупроводник р-типа—* Расстояние от поверхностиПолупроводник р-типа—* Расстояние от поверхностиСобранные электроныСобранные электроныДиэлектрический окиселДиэлектрический окиселEfEfИз ~^FSИз ~^FS*t*t7ZZZ Металл7ZZZ МеталлIIII__L_Полупроводникр-типа—•- Расстояниеот поверхности__L_Полупроводникр-типа—•- Расстояниеот поверхности
Энергия электрона
Энергия электрона
Цизлектри чес- кий окисел/
Цизлектри чес- кий окисел/
-Ef
-Ef
yso
yso
vG-vFB
vG-vFB
Полупроводник р-типа
—* Расстояние от поверхности
Полупроводник р-типа
—* Расстояние от поверхности
Собранные электроны
Собранные электроны
Диэлектрический окисел
Диэлектрический окисел
Ef
Ef
Из ~^FS
Из ~^FS
*t
*t
7ZZZ Металл
7ZZZ Металл
I
I
I
I
__L_
Полупроводникр-типа
—•- Расстояние
от поверхности
__L_
Полупроводникр-типа
—•- Расстояние
от поверхности
Рис. 13.2. Зонные диаграммы МДП-структуры при подаче на нее инвертирующего напряжения.
с-начальное состояние (/ = 0); б-стационарное состояние (/-♦ со).
11 То есть такое напряжение на затворе относительно подложки, при котором уровни Ферми в металле и полупроводнике занимают одинаковое положение. При этом искривление зон в полупроводнике отсутствует-Прим, перев.
X толщина диэлектрика; х-глубина данной точки в диэлектрике, Л/-толшиг д металлической обкладкой; р,(л*)-плотность
В системе металл ЧЮ,-Si значение Г„. как правило, не превышает единиц вольт. Эффективное падение напряжения к, распределяется между диэлектриком (к,) и полу- проводником (<р$):
(13.3)(13.3)v>v,^s.
(13.3)
(13.3)
Здесь <р,-потенциал поверхности раздела полупроводник-диэлектрик, отсчитанный от уровня потенциала контакта к подложке (поверхностный потенциал). В глубине полупроводника внешнее электрическое поле экранируется подвижными носителями заряда, в результате чего края зон на диаграммах располагаются горизонтально. Однако с приближением к поверхности внешнее поле искривляет зоны, так что неосновные носители (электроны) получают возможность занять наинизшие энергетические состояния. Образуется в сущности «потенциальная яма» глубиной ф,. В первый момент после подачи напряжения Ис на структуру яма пуста, вследствие чего возникает относительно широкий обедненный слой и создается относительно высокий поверхностный потенциал <р10 (рис. 13.2, а).
По мере того как генерируются неосновные носители, происходит их накопление вблизи поверхности и формируется инверсионный слой (рис. 13.2,6). Так как теперь на приповерхностных зарядах заканчивается значительно больше силовых линий электрического поля, чем в начальный момент, поверхностный потенциал ф$ уменьшается по сравнению с начальным значением фх0, и толщина обедненного слоя xd также уменьшается в соответствии с формулой
^(0 = (2£,ф,(/)/^л),/2, (13,4) где е,-диэлектрическая проницаемость полупроводника, -концентрация акцепторной примеси в подложке, q- заряд электрона. Связь Г^^ П°ЛЯ ° Зарядом пРиповерхностного слоя дается теоремой
(13.5)(13.5)JeE-n^S = j pdv^ sV
(13.5)
(13.5)
где V- объем, ограниченный поверхностью S; в - диэлектрическая проницаемость; Е-электрическое поле; п-единичный вектор внешней нормали к поверхности; р-плотность заряда, заключенного внутри S. Применяя теорему Гаусса к зарядам, сосредоточенным вблизи границы раздела полупроводник-диэлектрик в объеме, ограниченном поверхностью S, (рис. 13.3, а), можно из соотношения (13.5) получить е;£/= б™, + с,£,,(13.6)
где ^-диэлектрическая проницаемость материала диэлектрика, £,-аб-
Инверсионный слой ОбедненнаяИнверсионный слой ОбедненнаяРис. 13.3. Сечение структуры диэлектрик полупроводник. Изображены поверхности S, и S2, используемые в формулировке теоремы Гаусса, а-поверхность, охватывающая заряд инверсионного слоя; б-поверхность. охватывающая заряд обедненной области.
Инверсионный слой Обедненная
Инверсионный слой Обедненная
солютная величина вектора напряженности электрического поля вблизи границы раздела в диэлектрике, Е,-то же для полупроводника. Qlnv-поверхностная плотность заряда в инверсионном слое. Электрическое поле в полупроводнике можно найти, применяя теорему Гаусса к объему обедненной области, ограниченному поверхностью S2 (рис. 13.3,0. Так как на границе обедненной области с нейтральной подложкой электрическое поле Es равно нулю, то на левой вертикальной границе поверх
ности S2 поле Es есть
Е$ = QDks •
Здесь Qd-поверхностная плотность заряда, сосредоточенного ненной области:
Qd ~ Ч^ A Xd •
(13.7) в обед-(13.8)(13.7) в обед-(13.8)жени я на нем:Е. = V,/xd.Распределение потенциала и поля рис. 13.41}. Подставляя выраженияжени я на нем:Е. = V,/xd.Распределение потенциала и поля рис. 13.41}. Подставляя выражения(13.9)в МДП-структуре показано на (13.4), (13.6)... (13.9) в уравнение(13.9)в МДП-структуре показано на (13.4), (13.6)... (13.9) в уравнениеНапряженность поля в диэлектрике пропорциональна падению напря
(13.7) в обед-
(13.8)
(13.7) в обед-
(13.8)
жени я на нем:
Е. = V,/xd.
Распределение потенциала и поля рис. 13.41}. Подставляя выражения
жени я на нем:
Е. = V,/xd.
Распределение потенциала и поля рис. 13.41}. Подставляя выражения
(13.9)
в МДП-структуре показано на (13.4), (13.6)... (13.9) в уравнение
(13.9)
в МДП-структуре показано на (13.4), (13.6)... (13.9) в уравнение
11 На рис. 13.4 распределение поля в начальный момент изображено без скачка на поверхности полупроводник диэлектрик, а кривая потенциала, соответственно, не имеет «излома» на этой поверхности. Такая ситуация возможна только в случае, когда диэлектрические проницаемости граничащих материалов одинаковы. На практике диэлектрические проницаемости этих материалов, как правило, различны: так, в системе Si/SiO2 они относятся приблизительно как 3. Поэтому рис. 13.4 следует рассматривать, имея в виду наличие скачков поля на границе раздела в реальных МДП-структурах,- Прим, перев.
Рис. 13.4. Распределения потенциала водника.
и поля в толще диэлектрика
.vd0-толщина обедненного слоя при г = 0; ,rd/-толщина обедненного слоя при t -» оо; ^-эффективное напряжение на МДП-структуре.
и полупро-
(13.3), можно найти связь поверхностного потенциала в полупроводнике с приложенным напряжением:
(13.10)(13.10)К — Qinx/Cj + Р^/ф^ + ф$,
(13.10)
(13.10)
где 1/С, = xjtb Р = (1/CJ 4/2<?£sNx.
Неосновные носители заряда порождаются термогенерацией, или фотогенерацией (при поглощении фонового теплового излучения, падающего на полупроводник). Собираясь вблизи поверхности раздела полупроводник - диэлектрик, они уменьшают поверхностный потенциал, как бы заполняя потенциальную яму. Время заполнения ямы зарядами тс-это время, необходимое для того, чтобы поверхностный потенциал принял равновесное значение1*. Надежно хранить информацию в МДП- конденсаторе, представляя ее величиной зарядового пакета подвижных носителей вблизи поверхности, можно только в течение промежутка времени, гораздо более короткого, чем тс.
Ток термогенерации, или темновой ток, образуется несколькими составляющими, отвечающими различным способам генерации. Ток термогенерации в обедненной области связан с наличием в ней центров генерации .рекомбинации21; его плотность Jc выражается формулой
нив приложс"
чием разрешенных локальных состо^ 7НераЦИИ'рскомбинаЦии связан с нали- проводника и носит название м^1^ЯНИИ ^Л0ВУшек>>) в запрещенной зоне полу- носит название механизма Холла Шокли Рида. Прим, персе.
Глава 13Глава 13
Глава 13
Глава 13
113
jGW4nixdVWn'(13.11)
где ^-концентрация собственных носителей заряда, тл-время жизни неосновных носителей. Таким образом, плотность темнового тока, генерируемого в обедненной области, меняется во времени и зависит от того, какова в данный момент толщина области [см. уравнение (13.4)].
Плотность Js темнового тока, связанного с генерацией-рекомбинацией на поверхностных центрах, описывается соотношением
Js = (1/2)^,SO = (l^^o^^JV^,(13.12)
где So = оvs vth NM-скорость поверхностной рекомбинации, ои-сечение захвата электронов поверхностным центром, у^-средняя тепловая скорость носителей, Na- плотность поверхностных состояний на единицу площади поверхности.
Диффузионная составляющая темнового тока (с плотностью JD) возникает в результате диффузии неосновных носителей из квазинейт- ральной подложки в обедненную область. В последнюю попадут только те носители, место генерации которых отстоит от границы обедненной области не более чем на диффузионную длину LD. Таким образом, JD = qnlLD!NATn.(13.13)
Темновой ток в обедненной области, вызванный термостимулированными межзонными переходами, гораздо меньше остальных составляющих и по этой причине здесь не рассматривается.
Плотность JB фонового тока, вызванного поглощением фотонов теплового фона, есть
^в = ЧЧйа.(13.14)
где г]-квантовая эффективность, QB-поверхностная плотность потока фотонов фонового излучения.
Скорость изменения заряда в инверсионном слое является суммой всех составляющих плотности тока, перечисленных выше:
dQuvJdt = JG(t) 4- Js + JD + J в-(13.15)
В начальный момент (z = 0) подвижный заряд вблизи поверхности отсутствует, и поверхностный потенциал можно рассчитать по уравнению (13.10):
Ф.о= Г„ + (1/2)р2[1 ~(1/Р)УГТ4^].(13.16)
Конечное значение поверхностного потенциала определяется только концентрацией собственных носителей и концентрацией примеси в полупроводнике п:
11 Точнее говоря, выражение (13.17) характеризует тот момент релаксации, после которого зависимость (р, от накопленного заряда инверсионного слоя становится слабой (логарифмической), так что в первом приближении (р^ можно
Фз/ = (2А-Т/<7)1п(^/и,.).(13.17)
Здесь к -постоянная Больцмана. Теперь с помощью (13.10) и (13.17) можно найти заряд инверсионного слоя, накопленного у поверхности за
все время релаксации:
^п^СЛК.-Р^-Ф^).(13.18)
Обычно Ve »Ф1/, поэтому максимальное число носителей заряда, которое может храниться в ячейке МДП-сгруктуры на единичной площади определяется удельной емкостью диэлектрика:
У^ = Q\w'q^ С, VJq.(13.19)
Возьмем типичный случай: х, = 1500 A, VQ = 10 В. Тогда удельная емкость диэлектрика составит приблизительно 2-10"8 Ф/см2 и Nmax % ^ I • 1012 электрон/см2 2).
Используя (13.10) и (13.15), можно, решив дифференциальное уравнение, найти зависимость от ф$/ времени т, достижения данного значения
4V*4V*
4V*
4V*
(13.21)(13.22)(13.21)(13.22)Здесь а = (^./^„С,) ^(Зе^л)* Y = (Vb + Js + Jd)/Cz.
(13.21)
(13.22)
(13.21)
(13.22)
Соотношение (13.20) является наиболее общим. При известных конкретных значениях входящих в него параметров (времени жизни, фонового потока, концентрации примеси), его иногда можно упростить. Например, в случае, когда материалом подложки является высококачественный кремний, основной вклад в ток дает генерация через промежуточные уровни в обедненной области [3]:
Jg»Ub*J,*JdV(13.23)
Таким образом, у близко к 0. Кроме того, (ps0 »ф-. В этом случае можно оценить т, следующим образом:
С - (2 a) J^ + (р/2а) 1п(Ф$0/Фз/).(13.24)
Задаваясь типичными параметрами кремния [2]:
считать не зависящим от внешнего напряжения. Такое приближение оправданно при достаточно больших внешних напряжениях, когда (Ис — KFB) много больше значения, определяемого формулой (13.17), что обычно и имеет место при работе ПЗС. Прим, перев.
Подразумевается наиболее распространенная в микроэлектронике МДП- структура Si/SiO2, в которой диэлектрическая проницаемость изолятора £| ~ 3,5...4).- Прим, перев.
ааРис. 13.5. Схема переноса заряда в трехфазном р-канальном ПЗС.
а
а
а -сечение трехфазной ПЗС-структуры; б -профили поверхностного потенциала в последовательные моменты времени /,, (,. т3, г4 (заряд переносится от электрода ф, к электроду ф2); в - диаграммы напряжений фаз ПЗС.
т„=100мкс, л,.= L5-101ocm 3
^ = 5«1014см-3,<1325)
С; = 210*8 Ф/см2, Va= 10 В.
(13.26)(13.27)(13.26)(13.27)получим
(13.26)
(13.27)
(13.26)
(13.27)
а = 0,1Ув/с, 0 = 0,75 УВ, <Р,о ~ Ю В ■ Ф,/ % 0,5 В.
Эти значения приводят к оценке времени зарядки
тс = 74с.
На практике тс для кремния лежит в пРеле^с помощью
Перенос заряда. Процесс переноса^^0 электрода (затвора) управляющих сигналов из-под одного меПеренос заряда
к другому лежит в основе ФУ^онирпотенциалов, подаваемых осуществляется с помощью такого> измпотенциальной ямы от
на затворы, при котором происходи .0 пзс (т. е. такого,
одного затвора к другому. Схема Ра°°\ь на рис. 13.5. Основной в котором ячейка содержит три затвор )близкорасположенных
структурой в трехфазном ПЗС является цепочка близ у
МДП-конденсаторов, на каждый третий из которых подается одно и то же управляющее (тактовое) напряжение. В момент времени г, заря- новый пакет хранится в потенциальной яме под электродом Ф1> поскольку система электродов" Ф1 находится под более высоким положительным потенциалом, чем ф, и Фз. В момент z = z2 на электродах обеих фаз, Ф. и ф„ напряжения одинаковы. Однако потенциальная яма под электродом ф2 вначале глубже, чем под Ф1, поскольку последняя частично заполнена хранящимся в ней зарядом (рис. 13.4). Это вызывает перенос заряда из-под электрода ф, к электроду <р2. По мере снижения напряжения на электроде ф: в промежутке времени i2 < t < t4 заряд продолжает перетекать под электрод ф2. В момент i = t4 заряд сосредоточен под электродом ф2; таким образом, начальная картина распределения зарядов сдвинулась на одну треть ячейки. Если периодически продолжать описанный процесс изменения фазовых напряжений во времени, зарядовый пакет будет перемещаться от ф2 к ф3 и далее по прибору.
Перенос заряда осуществляется согласно трем основным механизмам: 1) дрейфа носителей в самонаведенном поле; 2) диффузии; 3) дрейфа в фиксированном краевом поле (т.е. в поле, создаваемом неподвижными зарядами ионизированной примеси). Дрейф в самоинду- цированном поле вызывается взаимным электростатическим отталкиванием носителей заряда, а краевые поля возникают на границе двух соседних электродов и имеют составляющую в направлении переноса заряда. При дальнейшем анализе мы будем следовать подходу, развитому в работе [4], с помощью которого можно в замкнутой форме получить приближенное решение уравнения переноса, учитывающее все три названных выше механизма.
Хотя существуют и более точные методы расчета, как численные [5], так и аналитические [6], подход, применяемый нами, обладает тем достоинством, что позволяет получить разумные оценки времени и эф- фективности перекоса заряда в ПЗС. изготовленных на основе различных полупроводниковых материалов, используя в качестве исходных ’движений0 ИЗВеСтные Фимческие параметры этих материалов*. ^Движение зарядового пакета описывается уравнением непрерывности 6Q!6l = 6l6x\p,„8№xy
(13.26) здесь D.„-Эффективный коэффициент диффузии, учитывающий собст-
(13.29),(13.30)(13.31)(13.29),(13.30)(13.31)венно диффузию и самоиндуцированный дрейф: De« = рАф (5 + Q/Q,\ А(р = | <pv - фл01, 5 = D/рДф.
(13.29),(13.30)
(13.31)
(13.29),(13.30)
(13.31)
В соотношениях (13.29)-(13.31) Д(р-разность между значениями поверхностного потенциала в отсутствие подвижного заряда и в исходном состоянии, т. е. исходная «глубина» заполнения ямы зарядом; Q$-величина зарядового пакета в исходном состоянии. На начальной стадии процесса преобладает дрейф в самонаведенном поле; решение уравнения переноса для этого интервала времени будем обозначать QlT1 так что можно написать
cQ1Tl^t = (рД<р/255)а2 Q^tI^x1 . (13.32)
На основании численных расчетов было показано, что на стадии преобладания самоиндуцированного дрейфа временное и пространственное распределения заряда Q1T взаимно независимы [8]. Поэтому для решения уравнения (13.32) можно применить метод разделения перемен
(13.33)(13.34)(13.33)(13.34)ных и получить выражение
(13.33)
(13.34)
(13.33)
(13.34)
QiT = Qs/<^i/t0L где /0 = 2L2/(n2pA(p),
(13.35)(13.35)L-длина затвора. На второй, заключительной стадии процесса переноса преобладающими механизмами являются диффузия и дрейф в фиксированном краевом поле. В работе [9] показано, что остаток заряда в потенциальной яме при этом экспоненциально убывает со временем:
(13.35)
(13.35)
Qft = Gexp(- //tz) .
Здесь tz-постоянная времени на заключительной стадии переноса, Qpt~заряд в потенциальной яме на заключительной стадии переноса. Согласно [9], для постоянной времени Ту справедливо приближенное
(13.36)(13.37)(13.36)(13.37)выражение
(13.36)
(13.37)
(13.36)
(13.37)
1/ту » 4/td + р2 £min/4D, т0 = 4£2/я2 D.
Влияние краевого поля проявляется, во-первых, в четырехкратном уменьшении вклада постоянной времени «чистой» диффузии в Ту [первый член в правой части уравнения (13.36)] и во-вторых, в том, что второй член в (13.36) определяется только краевым полем и зависит от минимального значения его напряженности [10]:
(13.38). Постоянная С\ в значений QlT и QFF(13.38). Постоянная С\ в значений QlT и QFFг _^к е, -^(^с— ^т) 5.Vj/L I
(13.38)
. Постоянная С\ в значений QlT и QFF
(13.38)
. Постоянная С\ в значений QlT и QFF
3 Eq L2 L 5xd/L+ 1 J *
Здесь e0-диэлектрическая проницаемость вакуума Уравнении (13.35) находится из условий «сшивания»
и их производных, определяемых из (13.33) и (13.35) в момент времени
(13.39). (13.40)(13.39). (13.40)Qit ~ Qft* dQ1Tjdt — dQFTjdt.
(13.39). (13.40)
(13.39). (13.40)
Решая уравнения (13.39) и (13.40), получим для tm выражение
1* = Ъ-(0.(13.41)
Принято определять величину /4 как время, необходимое для переноса 99,99% исходного заряда:
Qft'Qs = Ю"4 = С,ехр(- tJxf)/Qs,Qft'Qs = Ю"4 = С,ехр(- tJxf)/Qs,'4'4Ту InТу In" 1 о4 expiry)-। + '„/'о" 1 о4 expiry)-। + '„/'о(13.42)(13.43)(13.42)(13.43)
Qft'Qs = Ю"4 = С,ехр(- tJxf)/Qs,
Qft'Qs = Ю"4 = С,ехр(- tJxf)/Qs,
'4
'4
Ту In
Ту In
" 1 о4 expiry)
-। + '„/'о
" 1 о4 expiry)
-। + '„/'о
(13.42)
(13.43)
(13.42)
(13.43)
(13.44)(13.45)(13.44)(13.45)
(13.44)
(13.45)
(13.44)
(13.45)
^ т.Т НаСТ0ЛЬК0 МаЛ0’ 470 8 УРМнении (13.36) преобладает первый
Emin « 2кй/цЕ, то выражение для /4 можно упростить: '‘-i^1"!105*7^11-
Время ?4 пропорционально второй степени длины затвора L, поэтому ее следует выбирать малой. Это время обратно пропорционально подвижности носителей заряда. Как будет показано в разд. 13.3.2, именно благодаря этому обстоятельству ПЗС на узкозонных материалах, в которых эффективные массы носителей заряда малы и соответственно
Рис. 13.6. Зависимость времени, необходимого для переноса 99,99% заряда (f4), от длины затвора в л-канальном ПЗС.
ц,„ = 500 см2/(В с), К =10 В, Х|=1500 Д. л. = 5-10й см Т = 300 К.
высока .а подвижность (пример-InSb), могли бы обладать очень высокой эффективностью переноса.л ь очень
На рис. 13.6 представлена зависимость /4 от длины затвооа 1 рассчитанная согласно (13.45) для „-канального кремниевого ПЗС Подложка имеет те же параметры, которые были использованы в примере расчета времени хранения. При типичной длине затвора 10 мкм значение /4 составляет 7,8-10-8 с. Это покатый четР м
показывает, что при заданных параметрах можно получить эффективность переноса п = 0 9999 тактовых частотах вплоть до 5...6 МГци.х ’
Конструкция прибора
Базовая структура регистра сдвига на ПЗС содержит три функциональных блока (рис. 13.7): 1) входное устройство, состоящее из р-п-пе- рехода, сформированного методом диффузии2> (/?-«-переход служит источником неосновных носителей заряда3)), и одного или нескольких входных затворов, управляющих вводом заряда в первую потенциальную яму; 2) секцию переноса, состоящую из расположенных в ряд электродов, которые под действием периодических тактирующих импульсов обеспечивают сдвиг информации в регистре; 3) выходного устройства, состоящего из выходного затвора, выходного полевого транзистора (МДП-транзистора, МДПТ) и стирающего МДПТ.
Структура ячейки ПЗС. Первый регистр сдвига на ПЗС, созданный Томпсеттом и его коллегами (сотрудниками фирмы Bell Laboratories) в 1970 г., содержал только 8 ячеек, но этого было достаточно для того, чтобы продемонстрировать возможность переноса заряда в движущихся потенциальных ямах. Первый ПЗС имел трехфазную систему тактирования, причем затворы различных фаз выполнялись из металла и располагались в одном слое металлизации. (Из обсуждения процесса переноса в разд. 13.2.1 ясно, что при такой одноуровневой системе расположения электродов требуется как минимум три электрода на ячейку для того, чтобы обеспечить однонаправленность переноса заряда.) Так как для эффективной зарядовой связи между соседними электродами требуется, чтобы ширина межэлектродного зазора не превышала нескольких микрометров, в такой структуре межфазные закоротки представляли собой серьезную проблему, препятствующую получению высокого выхода годных приборов. К тому же незащищенный окисел в межэлектродных промежутках такой структуры может накапливать паразитные заряды,
11 Приведенная оценка тактовой частоты сделана в предположении, что на перенос отводится более 1/3 периода, что невозможно при трехфазной системе управления. Для нее более реалистичной оценкой является частота около 3 МГц,-Лрнл1. нерве.
21 В современных ПЗС для формирования р - «-переходов широко применяется метод ионной имплантации.- Прим, персе.
3) На рис. 13.7 изображен р-канальный ПЗС. в котором информация переносится дырками, а не электронами.- Прим, персе.
120120Входная диффузионная областьВходная диффузионная областьNNУпра&лянтщи затворУпра&лянтщи затворЗатвор сброса IЗатвор сброса IВыходной затворВыходной затворСтоп - диффузионная областьСтоп - диффузионная областьСток транзистора сбросаСток транзистора сбросаИсток выходного транзистораИсток выходного транзистораРис. 13.7. Схема двухуровневой электродной структуры ПЗС с перекрытием электродов.Рис. 13.7. Схема двухуровневой электродной структуры ПЗС с перекрытием электродов.Т Затвор переносаТ Затвор переносаСтоп- диффузи-Стоп- диффузи-
120
120
Входная диффузионная область
Входная диффузионная область
N
N
Упра&лянтщи затвор
Упра&лянтщи затвор
Затвор сброса I
Затвор сброса I
Выходной затвор
Выходной затвор
Стоп - диффузионная область
Стоп - диффузионная область
Сток транзистора сброса
Сток транзистора сброса
Исток выходного транзистора
Исток выходного транзистора
Рис. 13.7. Схема двухуровневой электродной структуры ПЗС с перекрытием электродов.
Рис. 13.7. Схема двухуровневой электродной структуры ПЗС с перекрытием электродов.
Т Затвор переноса
Т Затвор переноса
Стоп- диффузи-
Стоп- диффузи-
что приводит к нестабильностям в работе прибора из-за неконтролируемого изменения потенциального рельефа на поверхности полупроводника. Д^я пассивации окисла в межэлектродных промежутках и наиболее полной защиты канала переноса от внешних воздействий Ким и Сноу [12] применили для формирования электродов сплошной слои поликристаллического кремния. Электроды в таком слое формируются избирательным легированием периодически расположенных участков, а делегированные высокоомные промежутки между ними служат межфазной изоляцией. В такой структуре минимальный размер ячейки оказывается несколько большим, так как точность, с которой выдерживаются геометрические размеры электрода, при очень сильном легировании поликремния не столь высока, как при их формировании методом избирательного травления в предыдущей структуре. Если же уровень легирования не столь высок, то возрастание распределенного сопротивления проводящего слоя может ограничивать работу прибора на высоких тактовых частотах. В усовершенствованной поликремниевой технологии [13] используются перекрывающиеся поликремниевые электро- дып, что позволяет защитить канал и обеспечить нулевой эффективный зазор между электродами. Были изготовлены^акже четырехфазные ПЗС с использованием двухуровневой металлизации или комбинации электродов из металла и поликремния.
тоех^э^ межФазная изоляция достигается с помощью окисления £ ка”и™ содержащих соответственно электро-
Чтобы полностью управлять процессами хранения и переноса заряда, необходимо ограничить возможность растекания носителей в боковых направлениях. На краях потенциальной ямы. ограничивающей канал, желательно поддерживать режим аккумуляции, чтобы исключить боковое подтекание темнового тока в канал. Для этой цели используются три основных метода бокового ограничения канала, показанные на рис. 13.8. Наиболее широко используются диффузионные (так называемая «стоп-диффузия») или ионно-имплантированные области того же типа проводимости, что и подложки. Эти области должны легироваться достаточно сильно для того, чтобы исключалась возможность их обеднения при обычно применяемом рабочем уровне поверхностного потенциала (который стремятся, как правило, сделать относительно невысоким). Во втором методе используется окисел ступенчатого профиля, причем его толщину над краями канала выбирают такой, чтобы встроенный в окисел заряд обеспечивал поверхностный потенциал под ним ниже порогового, с тем чтобы поверхность вне канала нельзя было обеднить (рис. 13.8,6). В усовершенствованном варианте этого метода используется сочетание утолщенного окисла и слабой стоп-диффузии для еще более четкого бокового ограничения канала. Третий метод основан на использовании металлического или поликремниевого охранного электрода, располагаемого над границами канала, на который подается аккумулирующее напряжение (рис. 13.8, в). Однако использо-
Металлический затворМеталлический затвор
Металлический затвор
Металлический затвор
Металлический затвор
"Толстый полевой n-si окисел
б
W//ww.W//ww.шшшшМеталлический затворМеталлический затворТрали-.Трали-.кремниикремнииSiSi88Рис. 13.8. Методы бокового ограничения канала переноса.а-стоп-диффузия (ПЗС с каналами />- и л-типа); б-утолщенный полевой окисел (ПЗС с каналами /т-типа); в - поликремниевый охранный полевой электрод (ПЗС с каналами р- и л-типа).Рис. 13.8. Методы бокового ограничения канала переноса.а-стоп-диффузия (ПЗС с каналами />- и л-типа); б-утолщенный полевой окисел (ПЗС с каналами /т-типа); в - поликремниевый охранный полевой электрод (ПЗС с каналами р- и л-типа).
W//ww.
W//ww.
шш
шш
Металлический затвор
Металлический затвор
Трали-.
Трали-.
кремнии
кремнии
Si
Si
8
8
Рис. 13.8. Методы бокового ограничения канала переноса.
а-стоп-диффузия (ПЗС с каналами />- и л-типа); б-утолщенный полевой окисел (ПЗС с каналами /т-типа); в - поликремниевый охранный полевой электрод (ПЗС с каналами р- и л-типа).
Рис. 13.8. Методы бокового ограничения канала переноса.
а-стоп-диффузия (ПЗС с каналами />- и л-типа); б-утолщенный полевой окисел (ПЗС с каналами /т-типа); в - поликремниевый охранный полевой электрод (ПЗС с каналами р- и л-типа).
ванис полевых охранных электродов усложняет конструкцию и техноло- ""вхо^ГвыходныГ* устройства: структура и принцип действия. Сиптьный заряд можно вводить в ПЗС как оптическим, так и электри- ™ путем Оптический ввод состоит в собирании фотогенерирован- ^носителей потенциальными ямами. Он используется в приемниках изображения на ПЗС видимого диапазона спектра (разд. 13.2.4), а также в монолитных ИК ПЗС (разд. 13.3.2).
Центральным элементом структуры большинства входных и выходных устройств является диффузионная область, образующая р-п-переход с подложкой (рис. 13.9 и 13.10). Во входном устройстве диффузионная область служит источником неосновных носителей, тогда как в выходном устройстве она играет роль стока. В одном из основных методов ввода заряда11, изображенном на рис. 13.9.Д. входное устройство состоит из входной диффузионной области и входного затвора. Если, как показано на рис. 13.9. а, подать электрический сигнал на входную диф- фузионную область, а входной затвор питать постоянным напряжением, большим по величине, чем пороговое напряжение МДП-структуры2), ток потечет в образовавшуюся потенциальную яму под первым электродом переноса [11]. Другой вариант этого метода состоит в поддержании постоянного напряжения на диффузионной области и подаче сигнала на входной затвор3*. Так как величина введенного заряда в этих методах зависит от длительности периода ввода, они обладают частотно-зависимыми функциями передачи, что для большинства применений неудобно4*.
Другой метод ввода сигнала представлен на рис. 13.9, б5). В этом методе входной сигнал подается иа диффузионную область, а входной затвор большую часть периода ввода находится под напряжением, обеспечивающим изоляцию диффузионной области от секции переноса.
Метод носит название «прямая токовая инжекция» (в англоязычной литературе direct injection или current integration). При.м. персе.
*°Р°ГОВЬ1М напРяжеиием МДП-структуры называется такое напряжение ^^^0ТН0СИТСЯЬН0 ПОДЛОЖКИ’ начиная с которого в заряде приповерхност- сионнпгп и п°гУПРоводникз преобладает заряд неосновных носителей инвер- напояжения! 1°° говоря' основныс носители у поверхности отсутствуют при
ЧТ0 исклю,п>ет рекомбинацию, поэтому в ПЗС всегда при перенос, используется надпороговый режим. Прим. персе. modulation}.- л£ „ ™® H0™T “аЗВанйс мстода модуляции по затвору (gate к истлючетельно1 мутьтипте’0 ЯВЛЯеТСЯ ™ШЬ т°гла- подходить к ПЗС как желать, чтобы приборустройству. При этом естественно
В подавляющем большинстве при*}""иТп^ Сигнала' Мсжду ТСМ задача фильтрации сигнала 11?Ик-технике не менее важна
применяться накопление (интег™ *' ^ р1Шсния которой с успехом может свойство методов пХй инТ:?кцРиГ;^ зтой ™ки ЛР™ указанное и широко используется „а практике. Прич перТ "° 3аТВ°РУ °ЧеНЬ П°Ле3“° Н носит название «метод отсечки диода,, (diode cut-оП) Прим. персе.
ааРис. 13.9. Методы электрического (инжекции) заряда в ПЗС.Рис. 13.9. Методы электрического (инжекции) заряда в ПЗС.вводавводатоковая(отсечкатоковая(отсечкая-ввод с интегрированием тока (прямая инжекция); б-ввод со стробированием диода); в-ввод с «наливом-сливом» (выравнивание потенциалов); г - улучшенный ввод с «наливом сливом».я-ввод с интегрированием тока (прямая инжекция); б-ввод со стробированием диода); в-ввод с «наливом-сливом» (выравнивание потенциалов); г - улучшенный ввод с «наливом сливом».Во время короткого, но достаточно большого по амплитуде импульса напряжения («строба») на входном затворе заряд перетекает из диффузионной области в потенциальную яму под первым электродом переноса до тех пор, пока она не заполнится до уровня, определяемого напряжением входного сигнала на диффузионной области в данный момент.Во время короткого, но достаточно большого по амплитуде импульса напряжения («строба») на входном затворе заряд перетекает из диффузионной области в потенциальную яму под первым электродом переноса до тех пор, пока она не заполнится до уровня, определяемого напряжением входного сигнала на диффузионной области в данный момент.Уз Уз vocXXX ।— t±3C±JC±3 I ODУз Уз vocXXX ।— t±3C±JC±3 I ODВыходВыходаа^2 ^3 V<^2 ^3 V<ВыходВыход
а
а
Рис. 13.9. Методы электрического (инжекции) заряда в ПЗС.
Рис. 13.9. Методы электрического (инжекции) заряда в ПЗС.
ввода
ввода
токовая(отсечка
токовая(отсечка
я-ввод с интегрированием тока (прямая инжекция); б-ввод со стробированием диода); в-ввод с «наливом-сливом» (выравнивание потенциалов); г - улучшенный ввод с «наливом сливом».
я-ввод с интегрированием тока (прямая инжекция); б-ввод со стробированием диода); в-ввод с «наливом-сливом» (выравнивание потенциалов); г - улучшенный ввод с «наливом сливом».
Во время короткого, но достаточно большого по амплитуде импульса напряжения («строба») на входном затворе заряд перетекает из диффузионной области в потенциальную яму под первым электродом переноса до тех пор, пока она не заполнится до уровня, определяемого напряжением входного сигнала на диффузионной области в данный момент.
Во время короткого, но достаточно большого по амплитуде импульса напряжения («строба») на входном затворе заряд перетекает из диффузионной области в потенциальную яму под первым электродом переноса до тех пор, пока она не заполнится до уровня, определяемого напряжением входного сигнала на диффузионной области в данный момент.
Уз Уз voc
XXX ।— t±3C±JC±3 I OD
Уз Уз voc
XXX ।— t±3C±JC±3 I OD
Выход
Выход
а
а
^2 ^3 V<
^2 ^3 V<
Выход
Выход
Вис. 13.10. Схемы выходных устройств ПЗС.
я-выходное устройство с использованием внешнего предусилителя; б-выходное устройство Мпгт^”086 плаваюшей диффузионной области (используются внутрикристалльные миП-транзисторы, сбросовый и выходной); «-выходное устройство на основе плавающего
затвора.
Затем входной затвор переводится вновь в состояние отсечки-он изолирует введенный зарядовый пакет во время его передачи под следующий электрод. При этом зависимость введенного заряда от напряжения сигнала не вполне линейна, так как поверхностный потенциал под собирающим электродом зависит от заряда инверсионного слоя0.
Если поменять роли входной диффузионной области и входного затвора (рнс. 13.9, в и г), то такой метод ввода обеспечит большую линейность функции передачи. Это так называемый метод «налива - слива», или метод выравнивания потенциалов [14, 15]. В его простейшей реализации (рис. 13.9, в) входной сигнал подается на входной затвор, а диффузионная область в состоянии покоя поддерживается под обратным смещением2*.
Когда на диффузионную область подается импульс, смещающий ее в прямом направлении, вытекающий нз нее заряд полностью заполняет приемную потенциальную яму. Если затем отключить импульс, диффузионная область вновь сместится в обратном направлении; таким образом, она извлекает заряд из ямы. ио не полностью, а лишь частично. Поскольку между входным затвором и первым затвором переноса имеется разность потенциалов, некоторая часть заряда останется в приемной яме; этот заряд и является сигнальным. Величина его в точности пропорциональна разности потенциалов на этих двух электродах (н,следовательно, входному сигналу)31. В усовершенствованном варианте метода (рис. 13.9,?) используются два расположенных рядом входных электрода, причем входной сигнал прикладывается между ними Г16].
этом случае процесс выравнивания потенциалов идет всегда при Же ЗИаЧеНИ.И "^«остиого потенциала (отвечающего времени ^™ЛНения ямы)' а Уровень диа ямы меняется плавно во обеспеч^СИГНала) Названные факторы
_е£печиваюг высокую линениость и малые собственные шумы в дан- на подзарядк^двух^папалтезьно^-’ ЧТ° пРиРащенис входного сигнала kln идет рающим затвором (<Хна?часть занят ?ЫХ ?К°СТСГг Дитрика подПсоби- часть заряда). Последняя емкость нрпы^ И обеднснн0го слоя под ним (малая нелинейность зависимости заряд входной”™’ ЧСМ “ 8ЫЗЬ1вается общая слабая
21 Здесь и ниже имеется « 8Х0ДН0И сигнал,- Прим, персе.
отношению к поверхности полуппойппи0^1111^ диФФузионной области по Р°м-~Др«.«. п?рев.^ р одника под соседним (входным) затво-
ся напряжение HaP/^aM7faiS13,9,в* когда сигналом (t^J являет-
ление о строгой линейности функции пепрИпУУЗИ°Нс°И обдасти) затворе, утверж- ™ hn приводит к подзарядке как ^ЧЛ^гШИбоЧНо' Действ»тельно. прира- 20В0ЯНИКа’ и поз™му нелинейнаядиэлектРика, так и емкости
таоавт^ В пРедыдУЩем методе. НоФУНКЦИИ передачи ничуть
ЛМ0ЖС||ием дна по;енци^ойП°Я“ВаТЬ сигнал ™ «™Рой затвор, вменениям поверхностной ™ ЯМЫ' то «лебания Г не будут заряда о"уМ в" стом™™” На емкость Диэлекта^а ^"“иита^ый заряд преимуществ Ом “Уас линейна в Р Зависимость введенного преимуществ схемы рис. li.S.a ™^," ^ и ^оит одно из основных
ном методе, что является важнейшим условием работы большинства ИК ПЗС (разд. 13.3.2 и 13.3.3).
В выходном устройстве используется такая же диффузионная область, образующая р — «-переход с подложкой, как и во входном. При обратном смещении этот переход действует как сток для неосновных носителей, находящихся рядом с ним.
В простейшей конфигурации схема выходного устройства содержит выходную диффузионную область и выходной затвор, отделяющий от нее последний электрод переноса (рис. 13.10, я). Выходной сигнал в этом случае представляет собой острый пик тока, возникающий всякий раз, когда зарядовый пакет достигает области выходной диффузии. Чтобы обеспечить приемлемый уровень выходного сигнала в такой схеме, обычно требуется внешний предусилитель.
В другом методе вывода сигнала используется встроенный в кристалл ПЗС простой предусилитель, содержащий выходной МО ПТ и МОПТ сброса. Выходная чувствительная диффузионная область, соединенная с выходным транзистором (рис. 13.10,6), теперь является также истоком транзистора сброса. Зарядовый пакет, собранный чувствительной диффузионной областью, меняет потенциал затвора МОПТ и тем самым модулирует ток в цепи истока выходного транзистора. При включении импульса сброса зарядовый пакет через цепь транзистора сброса удаляется из выходной диффузионной области, что восстанавливает ее исходный потенциал. В усовершенствованном варианте этого метода применяется дополнительный затвор в транзисторе сброса, поддерживаемый под постоянным потенциалом, чтобы уменьшить помеху от импульса сброса, проходящую через паразитную емкостную связь в выходной сигнал. Основной вклад в шум в этой схеме вносит процесс периодического сброса потенциала выходной диффузионной области [17] (разд. 13.2.3).
Чтобы избежать шума, вызванного сбросом, можно отслеживать не сам сигнальный зарядовый пакет, а его «отражение»-заряд, собирающийся под действием сигнального пакета на так называемом плавающем затворе п, лежащем над каналом переноса и присоединяемым к выходному МОПТ (рис. 13.10,в; см. также Wen, 1974). Так как сигнальный зарядовый пакет в этом методе при считывании ие разрушается, считывание можно выполнить повторно в другом месте, сфор- мировав таким образом усилитель с распределенным плавающим затвором (УРПЗ) [18]. Инжектируя параллельно выходные сигналы ступеней УРПЗ в другой регистр сдвига ПЗС, работающий синхронно с первым (рис. 13.11), можно реализовать режим временной задержки - накопления (ВЗН), при котором последовательно считываемые копии
' Название отражает тот факт, что потенциал затвора, заряд которого 8 течение длительного времени остается неизменным, «плавает»-отслеживает колебания потенциалов окружающих структурных элементов-Прим. персе.
Входной регистр сдвига УРПЗ Плавающая 1 г 5 п «..„»«K-
сигнала включенсигнала включен&w&wРазрешающий затворРазрешающий затворПринимающая фазаПринимающая фазаРис. 13.11. Режим временной задержки-накопления [19].а-структурная схема УРПЗ; б - сечение структуры усилителя заряда в УРПЗ.Рис. 13.11. Режим временной задержки-накопления [19].а-структурная схема УРПЗ; б - сечение структуры усилителя заряда в УРПЗ.сигнала . Плавающий затворУсилитель зарядасигнала . Плавающий затворУсилитель зарядаВыходной регистр сдвига УРПЗ
сигнала включен
сигнала включен
&w
&w
Разрешающий затвор
Разрешающий затвор
Принимающая фаза
Принимающая фаза
Рис. 13.11. Режим временной задержки-накопления [19].
а-структурная схема УРПЗ; б - сечение структуры усилителя заряда в УРПЗ.
Рис. 13.11. Режим временной задержки-накопления [19].
а-структурная схема УРПЗ; б - сечение структуры усилителя заряда в УРПЗ.
сигнала . Плавающий затвор
Усилитель заряда
сигнала . Плавающий затвор
Усилитель заряда
Выходной усилитель о Разрешаю-
Выход «Ош. затвор
а
одного и того же сигнального зарядового пакета верхнего регистра складываются в один пакет в нижнем регистре. Таким образом, на выходе ВЗН-регистра сигнал будет усилен в м раз при п считываниях. Так как шумы при считываниях складываются некогерентно, шум на выходе ВЗН-регистра возрастает только в Jn раз.
Параметры и характеристики приборов
(13.47)(13.47)причем при е, « 1 имеет место соотношение
(13.47)
(13.47)
Пл.тПл.т= п" = С1 - £х)" ~ 1 - ие
Пл.т
Пл.т
Если в регистр сдвига ПЗС вводится отдельный зарядовый пакет, то величина т|х.т показывает, какая часть заряда появится на выходе после задержки, отвечающей тактовой частоте и числу ячеек прибора. Остальная часть заряда, е,-Т, распределяется между другими переносимыми в приборе зарядовыми пакетами, относительная величина которых определяется произведением лехТ. Ясно, что для получения неискаженной формы сигнала на выходе прибора с большим числом ячеек требуется очень высокая эффективность переноса. Пусть, например, требуется получить г|х т = 0,9 в 100-элементном (содержащем 100 ячеек) регистре сдвига ПЗС. В этом случае необходимо значение ех менее 10"3, и соответственно эффективность переноса составит приблизительно 0,999. На рис. 13.12 представлены результаты численного моделирования превращения отдельного зарядового пакета в группу следующих друг за другом пакетов при различных значениях параметра лех. Крайний левый пик представляет пакет, отвечающий идеальной задержке (т. е. появляющийся на выходе спустя и тактов переноса). При тх > 0.6 первый приходящий пакет утрачивает более половины всего заряда, содержавшегося в исходном пакете, а при тх > 1 положение наибольшего пика смещается в сторону последующих импульсов. В этом случае выходной сигнал сильно растягивается во времени и представляет собой цуг импульсов, огибающая которых приближается к весьма пологому гауссовому распределению [3].
Влияние неэффективности переноса заряда на гармонический входной сигнал характеризуется коэффициентом передачи амплитуды
(13.48)(13.49)(13.48)(13.49)6 = ЛихМ.» и фазовым сдвигом Ду: G = ехр {- пех [1 - со$(2л/;/Л)]}, Ду = - ле, {27c/V/c - sin [2лЛ//с] }.
(13.48)
(13.49)
(13.48)
(13.49)
Здесь fs - частота сигнала,/с - тактовая частота, п- число ячеек регистра сдвига. Поскольку ПЗС-это прибор с временной дискретизацией, при
Рис. 13.12. Последовательность откликов (амплитуд зарядовых пакетов) на выходе ПЗС при инжекции в него отдельного зарядового пакета для различных значений результирующей неэффективности переноса пех (линейная модель) [20].
Рис. 13.13. Влияние неэффективности переноса заряда на передачу гармонического сигнала ПЗС [24].Рис. 13.13. Влияние неэффективности переноса заряда на передачу гармонического сигнала ПЗС [24].
Рис. 13.13. Влияние неэффективности переноса заряда на передачу гармонического сигнала ПЗС [24].
Рис. 13.13. Влияние неэффективности переноса заряда на передачу гармонического сигнала ПЗС [24].
а - зависимость коэффициента передачи амплитуды от частоты (нормированной на тактовую частоту); б-зависимость фазового сдвига от частоты.
которой частота отсчетов равна тактовой частоте, частота Найквиста (выше которой невозможна передача полезной информации) составляет 0.5/,.
На рис. 13.13 изображены зависимости коэффициента передачи амплитуды и фазового сдвига от тактовой частоты и параметра пгх. На рисунке видно, что можно всегда выбрать уровень иех < 0,1 в качестве грубой оценки, обеспечивающей приемлемое качество работы прибора, поскольку при этом коэффициент передачи не выходит за пределы 0,8... 1,0, а фазовый сдвиг не превышает 20°.
Типичные значения эффективности переноса в расчете на один затвор ПЗС изменяются в пределах 0,999... 0,9999, хотя сообщалось и о достижении значения 0,99999 [21]. На относительно низких тактовых частотах (/, < 1 МГц) основным механизмом потерь при переносе является захват носителей поверхностными состояниями (разд. 13.2.1). Влияние захвата можно уменьшить, вводя в каждую потенциальную яму ПЗС дополнительный заряд постоянной величины (так называемый фоновый заряд, или «жирный нуль»). Фоновый заряд заполняет большую часть поверхностных состояний, уменьшая тем самым степень их взаимодействия с сигнальным зарядом. Типичный эффект повышения эффективности переноса при использовании заряда «жирного нуля» демонстрирует рис. 13.14, где представлены результаты для 128-элементного
Величина „ жирного нуля " (доли полной, ялты)Величина „ жирного нуля " (доли полной, ялты)Рис. 13.14. Зависимость неэффективности переноса (в расчете на один перенос) от величины «жирного нуля» при тактовой частоте 1 МГц [22].
Величина „ жирного нуля " (доли полной, ялты)
Величина „ жирного нуля " (доли полной, ялты)
Ширина канала составляет 12.7(Л), 25.4(B) и 127(C) мкм.
двухфазного /7-канального ПЗС. В отсутствие заряда «жирного нуля» неэффективность переноса приблизительно одна и та же во всех трех приборах. С возрастанием доли заполнения потенциальной ямы «жирным нулем» неэффективность вначале снижается, а затем выходит на постоянный уровень, который различен для разных приборов. Этот нижний предел значений ех определяется так называемым краевым эффектом и зависит от того, в какой степени фоновый заряд блокирует поверхностные состояния, расположенные в краевых зонах электродов
"^Н^имс частот приблизительно 1 МГц и выше потери при переносе возрастают, так как начинают преобладать другие механизмы, о суж- давшиеся в разд. 13.2.1. На рис. 13.15 приведены тнпичн^ави^ неэффективности переноса от тактовой частоты лл* "эле, л-канальных ПЗС с различной шириной канала. В с о ъ каналом сигнальный заряд взаимодействует с объемными ловушк< , концентрация которых относительно мала, что приводит потерь 1О"5...1О"4. Предел быстродействия ПЗС с объемным
теоретически очень высок: онтеоретически очень высок: онРис. 13.15. Зависимость неэффективности переноса (в расчете на один перенос) от тактовой частоты при 30%-ном «жирном нуле» [22]-Рис. 13.15. Зависимость неэффективности переноса (в расчете на один перенос) от тактовой частоты при 30%-ном «жирном нуле» [22]-III 10I 10-5-5Ю6 101 Ю8Ю6 101 Ю8Тактовая частота, Ги,Тактовая частота, Ги,10"г10"г10"310"310* 10'10* 10'3 *3 *ю3ю3ограничивается лишь дрейфовой ско-
теоретически очень высок: он
теоретически очень высок: он
Рис. 13.15. Зависимость неэффективности переноса (в расчете на один перенос) от тактовой частоты при 30%-ном «жирном нуле» [22]-
Рис. 13.15. Зависимость неэффективности переноса (в расчете на один перенос) от тактовой частоты при 30%-ном «жирном нуле» [22]-
I
I
I 10
I 10
-5
-5
Ю6 101 Ю8
Ю6 101 Ю8
Тактовая частота, Ги,
Тактовая частота, Ги,
10"г
10"г
10"3
10"3
10* 10'
10* 10'
3 *
3 *
ю3
ю3
ростью носителей. В настоящее время известны приборы, работающие на тактовой частоте 235 МГц [25].
Шум Шум в ПЗС проявляется как флуктуации числа носителей в зарядовом пакете. Так как сигнал измеряется количеством носителей заряда в зарядовом пакете., шум также удобно измерять числом шумовых носителей. ОСШ при этом представляет собой отношение числа сигнальных носителей к числу шумовых носителей.
Механизмы шума в ПЗС хорошо изучены как теоретически, так и экспериментально [14, 17. 26-28. 3]. Имеются следующие основные источники шума в ПЗС.
Флуктуации потерь при переносе. Происходят вследствие взаимодействия зарядового пакета с поверхностными и объемными ловушками.
Флуктуации фонового заряда. Возникают в процессе ввода в ПЗС заряда «жирного нуля», термогенерации (темнового тока), оптической генерации.
Шум выходного устройства. Включает шум сброса и шум выходного усилителя11.
Типичный уровень шума современных ПЗС-около 100 шумовых носителей (среднеквадратичное значение). Введя в состав кристалла ПЗС распределенный усилитель с плавающими затворами, У эн и др. [18] получили шум на уровне 10-20 носителей заряда.
Особый интерес в ИК-технике представляет так называемый «геометрический» шум, возникающий вследствие неоднородности параметров ячеек прибора. Неоднородность темнового тока, чувствительности, фонового заряда и т.д. в ПЗС существенно ограничивают обнаружительные характеристики прибора, поскольку в типичных ситуациях сигнальный поток излучения в ИК-диапазоне составляет менее 1% всего потока, падающего на прибор.
Работа ПЗС при низких температурах. Возможность работы при низких температурах - решающее свойство ПЗС, предназначенных для ИК-систем [29], Выбор рабочей температуры ИК ПЗС зависит от целого ряда условий: типа ПЗС, требуемой области спектральной чувствительности, материала приемника ИК-излучения, предъявляемых требований к величине чувствительности и т. д. Сведения обо всех этих параметрах подробно изложены в разд. 13.3. В данном разделе рассматривается влияние температуры на эффективность переноса заряда.
нтересны в этом отношении оба типа ПЗС, как с поверхностным,
И с ооъемным каналом. Для фокально-плоскостных приемников ИК-изображения большого формата (так называемых фокальных мат- р Ц), в которых необходимы высокие скорости считывания, чтобы за
В приборах, содержащих выходное устройство на основе «плавающего» затвора, шум сброса практически отсутствует, так как эта операция производится очень редко по сравнению с периодом тактовой частоты.- Прим, перев.
Рис. 13.16. Зависимость неэффективности переноса (в расчете на одну ячейку) от температуры для ППЗС [29].
Ячейка содержит 4 электрода; ех (на перенос) = (1/4) £, (на ячейку):
/г = 10 кГц.
время кадра считать сигнал со всех фоточувствительных элементов, представляют очень большой интерес так называемые перистальтические ПЗС (ППЗС)- приборы с объемным каналом на основе эпитаксиальных структур и высокими тактовыми частотами [25, 30].
На рис. 13.16 представлена зависимость неэффективности переноса от температуры для ППЗС на кремнии с четырехфазной схемой тактирования, ионно-имплантированным «-каналом и 130 элементами (ячейками) размером 20 х 254 мкм2 (рис. 13.17). Концентрация примеси p-типа в подложке составляла 5- Ю14 см"3, а толстый эпитаксиальный слой содержал примесь с концентрацией 1 * 1015 см-3. Система затворов переноса была двухуровневой с перекрытиями затворов фаз. Использовался А1 в качестве материала затворов и окись кремния в качестве материала межслойной изоляции.
Сток транзистора,сброса
затвор транзисторасброса •—1
Разпешаюший. Вы1одной затворВыходной транзистор
газреисающци переносаИсток Сток
затвор*1
Рис 13.17. Сечение ППЗС вдоль направления переноса заряда [29, 31]
В описываемом ППЗС неэффективность переноса сл в расчете на ячейку при 300 К составляет 1,2'10 3, а в оптимальном режиме-до 3-10"* При температуре жидкого азота (77 К) £Л. снижается до 5,5 • Ю'4. При дальнейшем снижении температуры в интервале 77-30 К поведение неэффективности переноса меняется на обратное: она слабо возрастает. При 30 К ех = 10"3. как при комнатной температуре. При температурах ниже 30 К неэффективность резко растет-на порядок величины в интервале 10 К. до значения 10“2 при 18 К. Наконец, при температурах ниже
18 К €х продолжает расти, но более плавно, проявляя тенденцию к насыщению на уровне 2 -10"2 при температуре 4,8 К.
Основным фактором, обусловливающим неэффективность переноса в ППЗС, является захват носителей объемными ловушками. Для измерений постоянной времени эмиссии заряда ловушками в ПЗС вводится первый зарядовый пакет, заполняющий все ловушки. Следующий пакет вводится спустя время Д/. величину которого меняют в эксперименте. Выходной сигнал, соответствующий второму зарядовому пакету, является функцией числа ловушек, освободившихся за время Дг и, следовательно. способных захватить заряд: А = Лоехр(- Д//тД Зависимость амплитуды выходного сигнала, наблюдавшегося в описанной ситуации, от .длительности интервала задержки Д/, показана на рис. 13.18 для ППЗС при 80 К и тактовой частоты 10 кГц. Постоянная времени эмиссии
Т" И3 ”аклона зависимости 1п(Л0/Л) от Дг, построенной на -55мИ Э*етраполя“ия пРямой к Д1 = 0 дает значение = Т ^Ф^тпвной постоянной времени по этим данным приводит к значению 0.26 мс. При комнатной температуре на том ™ приборе получено значение 0,55 мс [25]Р
ром3 2”^™^ "ереН0Са В Расчете на ячейкУ (Рабером 25,4 X 50.8 мкм ) от температуры для ПЗС на кремнии с поверх-
5 f Itot5 f ItotCQ 300CQ 300250250200200150150100100££Объемный канал, 130 ячеек переноса. 6с=10кГц,т?80Кг-А’=235 мВА"= 180 мВОбъемный канал, 130 ячеек переноса. 6с=10кГц,т?80Кг-А’=235 мВА"= 180 мВО—О—к•t ^s -0,26 мск•t ^s -0,26 мсIn1,5In1,5^0А^0А( Постоянная z времени't.s", эмиссии 5 Ао jj^A'-A'^B^ U ■( Постоянная z времени't.s", эмиссии 5 Ао jj^A'-A'^B^ U ■5050AiAi1,01,00,50,5°°-8 , 7'2 1.6 2,0Интервал задержки At, *,c°°-8 , 7'2 1.6 2,0Интервал задержки At, *,c00Рис. 13.18. Определение постоян- шек в'птг эмиссии заРЯДа ловушек в ППЗС при температуре 80 КРис. 13.18. Определение постоян- шек в'птг эмиссии заРЯДа ловушек в ППЗС при температуре 80 К
5 f I
tot
5 f I
tot
CQ 300
CQ 300
250
250
200
200
150
150
100
100
£
£
Объемный канал, 130 ячеек переноса. 6с=10кГц,т?80К
г-А’=235 мВ
А"= 180 мВ
Объемный канал, 130 ячеек переноса. 6с=10кГц,т?80К
г-А’=235 мВ
А"= 180 мВ
О—
О—
к
•t ^s -0,26 мс
к
•t ^s -0,26 мс
In
1,5
In
1,5
^0
А
^0
А
( Постоянная z времени't.s
", эмиссии 5 Ао jj^A'-A'^B^ U ■
( Постоянная z времени't.s
", эмиссии 5 Ао jj^A'-A'^B^ U ■
50
50
Ai
Ai
1,0
1,0
0,5
0,5
°°-8 , 7'2 1.6 2,0
Интервал задержки At, *,c
°°-8 , 7'2 1.6 2,0
Интервал задержки At, *,c
0
0
Рис. 13.18. Определение постоян- шек в'птг эмиссии заРЯДа ловушек в ППЗС при температуре 80 К
Рис. 13.18. Определение постоян- шек в'птг эмиссии заРЯДа ловушек в ППЗС при температуре 80 К
Рис. 13.19. Температурная зависимость неэффективности переноса (в расчете на одну ячейку) в ПЗСПК [29]. Ячейка содержит четыре электрода; е, (на перенос) = = (1/4)ех (на ячейку). Л-без «жирного нуля»; В «жирный нуль» 20%.
костным p-каналом (ПЗС ПК) приведена на рис. 13.19. Данный ПЗС ПК имеет 100 ячеек и четырехфазную систему тактирования (/. = 10 кГц). Электродная структура прибора такая же, как и у описанного выше ППЗС, а именно двухуровневая, с перекрывающимися алюминиевыми затворами. Концентрация примеси в подложке % Г 1015 см-3. В интервале температур 30...300 К поведение ех в основном такое же, как и у гх для ППЗС, с минимумом (4...5)10"4 при 77 К. Однако ниже 30 К свойственная ППЗС переходная область быстрого роста ех с началом вымораживания примеси отсутствует в ПЗС ПК. Наблюдается лишь сравнительно медленный рост неэффективности переноса при снижении температуры вплоть до 5 К, при которой sx составляет 1,4-10"3.
Обзор применений
В разд. 13.3 рассматриваются ПЗС в качестве приемников ИК-из- ображения. Устройства памяти, линии задержки и устройства обработки сигнала-это те области, в которых также можно с успехом применять приборы с зарядовой связью. Эти применения ПЗС будут кратко рассмотрены ниже. За подробностями читатель может обратиться к списку литературы.
Приемники изображения видимого диапазона спектра. Приемники видимого изображения на ПЗС могут быть как линейными (ПЗС-линейки), так и двумерными (ПЗС-матрицы). Линейки используются для получения одномерных изображений (в таком качестве они находят применение в системах автоматического управления) или двумерных изображений с помощью механического сканирования. Разработаны и выпускаются линейные приборы различной архитектуры [32, 33].
На рис. 13.20 показаны две различные схемы организации ПЗС-линеек. В простейшем случае обе функции-собирание фотогенерирован- нь!х носителей и их последовательное считывание-производятся в одном канале переноса. При этом вначале электроды поддерживаются под постоянными потенциалами, которые создают в течение времени накопления потенциальные ямы, изолированные друг от друга. Затем на
Уз УзУ гУз УзУ г
Уз Уз
У г
Уз Уз
У г
Регистр сдвига ПЗС
Разрешающий затвор
Фоточувствителъ ный элеупент
Рис. 13.20. Варианты организации линейных фоточувствитсльных ПЗС.
а-преобразование излучения в заряд и накопление в регистре сдвига ПЗС; б-преобразование излучения в заряд и накопление в отдельных областях.
электроды подается обычная периодическая последовательность импульсов для считывания - переноса накопленных зарядовых пакетов к выходному устройству. Чтобы предотвратить «смазывание» изображения, время считывания должно быть значительно меньше времени накопления. Другие способы уменьшения «смазывания»—это применение механического или электронного прерывателя, предотвращающего генерацию носителей во время считывания, или дробление всей линейки на секции меньшей длины, каждая из которых снабжена отдельным выходом. Более радикальное усовершенствование состоит в пространственном разделении фоточувствитсльных областей и регистра сдвига, который связывается с фоточувствительными элементами с помощью общего затвора переноса. При такой организации прибора заряды вначале накапливаются в фоточувствительной области. Затем на общий затвор переноса подается импульс, разрешающий зарядам перетечь в регистр сдвига, после чего фоточувствительные элементы вновь изолируются. К моменту, когда будет сформирована новая строка информации, завершается считывание предыдущей строки из регистра сдвига, что позволяет вести почти непрерывное интегрирование сигнала.
Сообщалось о ПЗС-линейках, содержащих до 1600 элементов [34] ”. Эти линейки, обладающие высоким пространственным разрешением, имели трехуровневую систему поликремниевых электродов и длину ячейки 16 мкм.
ПЗС-матрицы обычно организуются по одной из двух схем: как прибор с межстрочным переносом или переносом кадра [35]. Организация матрицы с межстрочным переносом в основном представляет собой развитие организации линейной схемы с отдельными фоточувствительными элементами: матрица состоит из параллельных рядов фоточувст- вительных линеек. Выход каждой линейки (столбца) присоединяется к единому для всех столбцов выходному регистру. При кадровой организации матрица состоит из двух одинаковых матриц (секций): 5000. (См а^атгомеп^Гп^ приборы с числом элементов более 1990. No. 7, р. и6) -Прим. перм' С^° Imag,ng Arrays//Electronics Design News.
матрицы фоточувствительных элементов (секция накопления) и матрицы, осуществляющей временное хранение изображения (секция хранения). Изображение вначале регистрируется секцией накопления, а затем переносится в защищенную от света секцию хранения. Во время фотопреобразования и накопления следующего кадра изображения в секции накопления предыдущее изображение выносится построчно из секции хранения. К настоящему времени изготовлено много различных ПЗС-матриц большого формата. Например, в работе [36] описана ПЗС-матрица с числом элементов разложения 320 х 512, полностью удовлетворяющая требованиям телевизионного стандартаи.
Запоминающие устройства (ЗУ). ЗУ на ПЗС проектировались для заполнения «бреши» во временах доступа, характерных для ЗУ на магнитных сердечниках и ЗУПВ (ЗУ с произвольной выборкой), с одной стороны, и магнитных дисков и барабанов, с другой стороны [3, 37, 38] (рис. 13.21). ЗУ на ПЗС обычно представляют собой приборы с рециркуляцией информации в цифровом виде (так как вследствие неэффективности переноса информация постепенно теряется) и обладают ограниченным временем хранения вследствие генерации темнового тока. В связи с этим в таких приборах необходимо периодически размещать схемы регенерации, поддерживающие необходимый уровень сигнала и тем самым низкую вероятность ошибок (см. также [39]).
Существуют два основных типа организации ЗУ на ПЗС: петлевая и последовательно-параллельно-последовательная (ППП) (рис. 13.22). При серпантинной однопетлевой организации ЗУ (рис. 13.22, л) вся информация последовательно проходит по всем регистрам сдвига ПЗС. Усилители-регенераторы размещаются между отдельными регистрами. Наибольшее время доступа при такой организации- это время, необхо-
6i6iL сердечникиL сердечники10ю ю9 ю8 ю1 106 ю5 10*
6
i
6
i
L сердечники
L сердечники
10 3\11-|11^—Н—Ю^КГ1 КГ6 10‘5 1(Г* 10"3 1СГг Ю 110 3\11-|11^—Н—Ю^КГ1 КГ6 10‘5 1(Г* 10"3 1СГг Ю 1Вре?ия доступа, сВре?ия доступа, сРис. 13.21. Сопоставление характеристик запоминающих устройств [37].Рис. 13.21. Сопоставление характеристик запоминающих устройств [37].
10 3\11-|11^—Н—
Ю^КГ1 КГ6 10‘5 1(Г* 10"3 1СГг Ю 1
10 3\11-|11^—Н—
Ю^КГ1 КГ6 10‘5 1(Г* 10"3 1СГг Ю 1
Вре?ия доступа, с
Вре?ия доступа, с
Рис. 13.21. Сопоставление характеристик запоминающих устройств [37].
Рис. 13.21. Сопоставление характеристик запоминающих устройств [37].
11 В настоящее время известны М^’Р”Ц“j^Mesley.)-Прим.персе.
и размером элемента разложения 7,5 мкм. (С . р У
ааРис. 13.22. Типы запоминающих ПЗС [37].а-серпантинная б-серпантиннаяРис. 13.22. Типы запоминающих ПЗС [37].а-серпантинная б-серпантиннаяорганизации устройств наоднопетлевая;многопетлевая;организации устройств наоднопетлевая;многопетлевая;ввв - последовательно-параллельно-по- следовательпая.в - последовательно-параллельно-по- следовательпая.
а
а
Рис. 13.22. Типы запоминающих ПЗС [37].
а-серпантинная б-серпантинная
Рис. 13.22. Типы запоминающих ПЗС [37].
а-серпантинная б-серпантинная
организации устройств на
однопетлевая;
многопетлевая;
организации устройств на
однопетлевая;
многопетлевая;
в
в
в - последовательно-параллельно-по- следовательпая.
в - последовательно-параллельно-по- следовательпая.
димое для одного полного оборота информации в структуре. Другая петлевая организация изображена на рис. 13.22,6; в ней имеется несколько петель, адресуемых с помощью мультиплексора, каждая из которых содержит два регистра сдвига и два усилителя-регенератора. Эта схема дает возможность осуществить произвольный доступ на уровне петель, а наибольшее время доступа снижается до величины, необходимой для оборота информации в петле, состоящей только из двух регистров сдвига. Блок памяти с ППП-организацией (рис. 13.22, в) состоит из входного и выходного регистров сдвига с последовательным вводом и выводом информации соответственно и промежуточной центральной секции. Последняя представляет собой многоканальный параллельный регистр сдвига. Информация вводится во входной регистр сдвига с номинальной рабочей частотой. После того как данные перенесены в центральную секцию, они перемещаются по ней под действием тактирующих импульсов с меньшей частотой, соответствующей числу параллельных каналов в центральной секции. Выходной регистр сдвига считывает информацию с исходной частотой. Описанная организация обладает тремя привлекательными свойствами: 1) нужна только одна степень регенерации на блок; 2) из-за более низкой частоты тактирования центральной секции снижается энергопотребление; 3) путь информации от входа к выходу относительно короток.
К настоящему времени созданы блочные ЗУ с рециркуляцией инфор-
маиии на ПЗС емкостью около 4 кбайт [40...44] при емкости отдельных кристаллов до 64 килобит [44]. Кристалл ЗУ на ПЗС, описанный в работе [44], содержит 16 блоков емкостью 4 килобайт каждый. Прибор позволяет считывать информацию с максимальной частотой 10 МГц. среднее время доступа составляет 200 мкс, средняя потребляемая мощность -10 мкВт/бит, площадь ячейки -640 мкм2, общие размеры кристалла-5,5 х 6 мм2.
Кроме ЗУ на ПЗС рециркуляционного типа были разработаны также полупостоянные ЗУ на ПЗС, использующие для хранения информации структуру металл-нитрид-окисел-полупроводник (МНОП) [45...48]. Если толщина слоя окисла в МНОП-структуре составляет всего лишь 10...20 А, носители могут при воздействии сильного электрического поля туннелировать сквозь такой барьер и захватываются вблизи поверхности раздела слоев окисла и нитрида. При желании захваченный заряд можно хранить практически неограниченно долго. Он повышает пороговое напряжение МНОП-структуры. В ЗУ на МНОП ПЗС операции записи предшествует ввод и надлежащее размещение единиц (зарядовых пакетов) и нулей (пустых ям) в регистре. Затем с помощью подачи на затворы большого напряжения производится вышеописанный захват заряда, и данная последовательность записывается в память. Процесс считывания начинается с заполнения прибора строкой единиц. После этою напряжения на затворах снижают так, чтобы заряды из потенциальных ям, находящихся под затворами с записанными единицами, были инжектированы в подложку. Тогда в регистре остается последовательность, дополнительная к исходной; она может быть считана. Для стирания информации можно подать на МНОП-структуру импульс, переводящий ее в режим аккумуляции.
Обработка сигнала. С помощью ПЗС могут быть реализованы операции по обработке сигнала как в аналоговой, так и в цифровой форме. Однако обработка сигнала в аналоговой форме представляет собой ту именно область, в которой вклад ПЗС обещает быть наиболее значительным [49...52]. ПЗС по сути своей являются дискретно-аналоговыми уез ройствами, осуществляющими выборку значений сигнала, или, иначе говоря, системами с импульсной модуляцией. Кроме того, то, что ПЗС управляются с помощью тактовых импульсов1*, придает этим приборам одно из важных преимуществ, свойственных цифровым системам.
Основным элементом устройств обработки сигнала на ПЗС является линия задержки. Задержка сигнала tD, формируемая прибором, есть ^ = пЦо(13.50)
где п- число ячеек ПЗС, /с-тактовая частота. Так как ПЗС принимает сигнал один раз за период тактовой частоты, входной сигнал может
11 Причем амплитуда этих импульсов не является критическим параметром,- Прим. перев.
Рис. 13.23. Типичное соотношение длительность задержки - полоса пропускания для линии задержки на ПЗС.
занимать полосу частот (полосу пропускания)
(13.51)(13.51)AWA
(13.51)
(13.51)
Сравнение (13.50) и (13.51) показывает, что большая задержка сигнала может быть достигнута только ценой сужения полосы пропускания и наоборот. Произведение задержки на полосу пропускания равно
(13.52)(13.52)^D^f=np..
(13.52)
(13.52)
Это произведение не зависит от тактовой частоты. Число ячеек в ПЗС-и, следовательно, произведение задержки на полосу пропускания- ограничено эффективностью переноса, которая может быть достигнута на практике. Как отмечалось в разд. 13.2.3, отличное от нуля значение неэффективности переноса приводит к тому, что коэффициент передачи ПЗС амплитуды гармонического сигнала монотонно убывает с ростом частоты. При лех % 0,1 коэффициент передачи на частоте Д = fjl равен приблизительно 0,8, что позволяет получить максимально широкую полосу пропускания при ослаблении сигнала менее чем на 3 дБ (см. рис. 13.13, разд. 13.2.3).
Если задаться типичным для существующих ПЗС значением неэффективности переноса ех = 2-10'4 на ячейку и рассматривать линию задержки с л = 500, значение tD^f составит 250.
Область употребительных режимов при /оД/=250 показана на рис. 13.23; tD = 1 с выбрано в качестве практического предела, а в качестве верхнего предела для Д/ выбрано значение 200 МГц (для ППЗС) [31]. Следует отметить, что если линия задержки на ПЗС используется совместно с многоэлементным приемником ИК-излучения и помешается в фокальной плоскости или близко от нее, можно ожидать улучшения названных выше характеристик благодаря пониженной рабочей температуре ПЗС. При понижении температуры эффективность переноса, как
„ параллельных зтдЗов сигнала„ параллельных зтдЗов сигналаВыходВыходРис. 13.24. Многовходовый регистр сдвига на ПЗС-дискретно-аналоговый мультиплексор.
„ параллельных зтдЗов сигнала
„ параллельных зтдЗов сигнала
Выход
Выход
правило, повышается (см. разд. 13.2.3, а также работу [29]), что приводит к меньшим значениям пгх и, следовательно, дает возможность применять приборы с большим числом ячеек. Кроме того, при охлаждении уменьшается темновой ток (приблизительно экспоненциально с температурой), что приводит к увеличению предельного значения вре
мени задержки.
Второй основной операцией обработки сигнала, выполняемой с помощью ПЗС, является мультиплексирование сигнала, представленного временным рядом отсчетов. Эта операция заключается в том, что сигналы, поступающие параллельно на входы многовходовой линии задержки на ПЗС (рис. 13.24), считываются последовательно. Боковые устройства ввода сигналов, используемые с такой линией задержки, аналогичны обычным входным устройствам, рассмотренным в
разд. 13.2.2.
Среди различных операций, выполняемых ПЗС, важна операция мультиплексирования сигнала в фокально-плоскостных ИК-фотоприем- ных устройствах большого формата, в которых необходимо считывать сигналы с 1О2...1О4 фоточувствительных элементов (разд. 13.3.1 и 13.3.3). Один из первых ПЗС-мультиплексоров, разработанных для этой цели, с малым расстоянием между соседними входными устройствами изображен на рис. 13.25. Общее число входов в приборе равно 10, причем с каждой стороны кристалла располагаются один за другим пять входов. Вывод фазы 1 дублирован для обеспечения возможности подвода управляющих импульсов с любой стороны кристалла. Расстояние
входными устройствами.
l(t+At)i(t+nAt)l(t+At)i(t+nAt)Рис. 13.26. Операция ВЗН, осуществляемая многовходовым регистром сдвига на ПЗС.
l(t+At)i(t+nAt)
l(t+At)i(t+nAt)
между соседними входами равно длине ячейки и составляет 25 мкм.
Другая принципиально важная операция, которую можно реализовать в фокально-плоскостных ИК-системах с помощью ПЗС,-это операция временной задержки-накопления (ВЗН) [54]. Она заключается в том, что сигналы от различных фоточувствительных элементов, отвечающие одному и тому же участку изображения, по мере того как он пробегает последовательные элементы, складываются после соответствующих задержек в ПЗС (рис. 13.26. разд. 13.3.1 и 13.3.3). В результате того что шумы фоточувствительных элементов складываются при этом как квадраты величин, а сигналы просто суммируются, ОСШ при такой обработке увеличивается как квадратный корень из количества элементов. Достоинства ПЗС в роли прибора, выполняющего функцию ВЗН, заключаются не только в повышении ОСШ (метод ВЗН для этой цели использовался и ранее, с применением схем на пассивных элементах), но скорее в ряде эксплуатационно-экономических параметров (объем, вес, стоимость), которые в сочетании с выигрышем в ОСШ позволяют использовать ПЗС в ИК-системах с все большим количеством фоточувствительных элементов.
13.3. ПРИБОРЫ С ЗАРЯДОВОЙ СВЯЗЬЮ ДЛЯ ИК-ОБЛАСТИ СПЕКТРА (ИК ПЗС)
Особенности применения ПЗС в ИК-области
ПЗС в фокально-плоскостных фотоприемных устройствах. Все разнообразие типов ИК ПЗС, предложенных или уже применяемых, можно разбить на два основных класса: монолитные и гибридные приборы. К монолитным ИК ПЗС относятся приборы, в которых фотопреобразование и перенос заряда производятся структурными элементами, расположенными рядом в одном кристалле. Общая черта монолитных приборов - сочетание описанных выше основных принципов и структур ПЗС с ИК-фоточувствительностью подложки. Последняя может выполняться либо из узкозонного полупроводника, либо из полупроводника с примесной фотопроводимостью и надлежащим образом выбранным энергетическим положением уровня примеси.
Гибридные ИК ПЗС-это приборы, в которых две вышеназванные важнейшие функции реализуются элементами, изготовленными из различных материалов. Эти элементы собираются в единую конструкцию. Фотопреобразование в гибридных приборах производится с помощью
любого подходящего приемника ИК-излучения, а перенос заряда протекает как в обычном кремниевом ПЗС. ПЗС в этом случае работает как устройство обработки сигнала, выполняющее необходимые функции (например, мультиплексирование, ВЗН, усиление сигнала). По способу соединения указанных двух основных элементов гибридного ИК ПЗС эти приборы разделяют на два подкласса: приборы с прямой инжекцией и приборы с непрямой инжекцией. В прямоинжекционных схемах фото- чувствительный элемент присоединяется непосредственно к входному контакту ПЗС без промежуточных устройств обработки сигнала. При непрямой инжекции между ПЗС и фоточувствительным элементом помещается буферное устройство для усиления сигнала перед его вводом в регистр сдвига ПЗС.
Особенности режима работы ПЗС в ИК-области. Основное различие режимов работы ПЗС в видимой и ИК-областях спектра состоит в большой величине фонового потока QB в последнем случае. В результате этого с ростом длины волны излучения значительно сокращается время заполнения потенциальных ям фоновым током (допустимое время хранения): от около 1 с в спектральном диапазоне 2,0.. .2,5 мкм до приблизительно 10 мкс в диапазоне 8... 14 мкм. Кроме того, собственный темновой ток термогенерации в материале добавляется к фоновому и накапливается одновременно с ним, что еще больше сокращает время хранения (разд. 13.3.2). Таким образом, на практике ИК ПЗС имеют ограниченное время экспозиции.
Другой важный фактор, в особенности для ПЗС, применяемых в системах тепловидения,- малый контраст тепловых изображений, что вызвано малостью относительного приращения потока при единичном приращении температуры фона. Для разности температур 0,1 К (что является типичным значением для систем тепловидения) при средней температуре фона 300 К контраст в диапазоне 2,0...2,5 мкм составляет величину порядка 1%, а в диапазоне 8... 14 мкм-менее 0.1%. Столь низкий контраст приводит к другой практической трудности-проблеме неоднородности материала ИК-чувствительных элементов. Неоднородность их чувствительности, типичная величина которой того же порядка, что и контраст изображения, или большего, существенно ухудшает температурное разрешение и проявляется в значительном «геометрическом» шуме.
Первые работы по ИК ПЗС были посвящены гибридным приборам и концентрировались вокруг задач создания ИК-систем переднего обзо- Рп (СПО) [54, 56], причем быстро выяснилось, что ни одна из перечисленных выше проблем не является неразрешимой. Например, в ИК СПО с последовательным сканированием используется линейный мноюэле- ментный приемник, который быстро сканирует с помощью оптико-ме- ханической системы поле изображения по вертикали и горизонтали так. что направление быстрого (горизонтального) сканирования параллельно °си линейки. Поскольку каждый ФЧЭ при этом пробегает все поле
Рис. 13.27. Типы организации фокально-плоскостных ИК-фотопри- емных устройств на ПЗС.
а- последовательноесканирование;
б-параллельноесканирование;
»-«смотрящая» (несканируемая) матрица.
зрения, время нахождения элемента изображения на фоточувствитель- но.м элементе оказывается весьма малым (рис. 13.27, а). Величина заряда. генерируемого за это время, хорошо согласуется с зарядовой емкостью ячейки типичного регистра сдвига ПЗС, даже если используется ИК-приемник для диапазона 8... 14 мкм и черное тело с температурой 300 К в качестве источника излучения. С помощью ВЗН-обработки выходных сигналов фоточувствительных элементов можно выполнять
суммирование отсчетов сигнала, отвечающих одному и тому же элементу разложения изображения.
функция ВЗН реализуется с помощью ПЗС путем тактирования прибора с частотой, отвечающей скорости движения изображения по многоэлементному приемнику (рис. 13.28). Так как шумовые вклады каждого фоточувствительног о элемента независимы и некоррелированы, квадрат полного шума, относящегося к элементу разложения изображения, после ВЗН-обработки получается суммированием квадратов шумовых вкладов отдельных ФЧЭ. При наличии т ФЧЭ в приемнике в принципе возможно путем ВЗН-обработки улучшить ОСШ в х/т раз (в случае ограничения шумом фоточувствительного элемента) по отношению к ОСШ одного элемента. Максимально возможное значение т-и тем самым наибольший выигрыш в ОСШ-определяется соотношением величины суммарного выходного сигнала и зарядовой емкости ячейки регистра ПЗС. ПЗС в режиме ВЗН работает таким образом, что отклик всех ФЧЭ многоэлементного приемника на выходе эквивалентен отклику одного, более совершенного ФЧЭ. При этом уменьшается геометрический шум, снижаются требования к однородности чувствительности ФЧЭ и необходимая степень избыточности числа ФЧЭ, обеспечивающая запас надежности прн обнаружении. Эти качества систем, работающих в режиме ВЗН, в сочетании с потенциальным выигрышем в ОСШ в ^/т раз позволяют преодолеть трудности, связанные с высоким уровнем фона и малым контрастом, характерные для тепловизионных систем.
В ИК-системах переднего обзора с параллельным сканированием вертикальная линейка ФЧЭ сравнительно медленно сканирует поле изображения, причем направление сканирования перпендикулярно оси линейки (рис. 13.27,6). В этом случае для считывания информации с линейкой ФЧЭ используется многовходовый ПЗС-мультиплексор, опрашивающий последовательно один за другим столбцы изображения. В случае последовательно-параллельной организации ИК СПО используется двумерная матрица ФЧЭ, которая сканирует поле изображения; при этом каждый канал подвергается ВЗН-обработке в направлении сканирования, и все они опрашиваются выходным мультиплексором в направлении, перпендикулярном направлению сканирования. Наконец,
Рис. 13.28. Операция ВЗН, осуществляемая ИК ПЗС при сканировании поля изображения по типу рис. 13.27, а.
«смотрящие» матрицы, полностью покрывающие все поле изображения (рис. 13.27, <0. не требуют механического сканирования и представляют собой наиболее совершенный тип организации фокально-плоскостного приемника И К-изображен и я на ПЗС.
Монолитные ИК ПЗС
Класс монолитных ИК ПЗС включает как примесные приборы, так и приборы на собственном поглощении. Примесные ИК ПЗС в свою очередь делятся на приборы с инверсией и с аккумуляцией. Несколько иной механизм фотопреобразования используется в ИК ПЗС на основе барьеров Шоттки. Общим для всех этих приборов является то, что все их элементы размещаются на одном и том же полупроводниковом мате- риале, так что и фоточувствительная секция, и секция переноса ПЗС формируются на единой подложке.
Примесные ИК ПЗС на кремннц (Si: X). Объединяя в одном кристалле фоточувствительные элементы на основе примесного кремния (Si:X) с ПЗС, можно использовать технологию интегральных схем (ИС) для создания сложных приемников ИК-изображения. Так как технология кремниевых ИС хорошо отработана, основным направлением работ в области примесных ИК ПЗС является создание матриц большого формата с помощью весьма совершенных методов (например, автома
тизированного проектирования прибора, компьютерного управления технологическими процессами и автоматизированного контроля параметров). В то же время можно ожидать, что благодаря групповым методам обработки, применяемым при производстве ИС, стоимость одного прибора в дальнейшем будет существенно снижаться.
может явитьсяможет явитьсяОсновной недостаток примесных ИК ПЗС состоит в том, что примесные фоточувствительные элементы могут работать только при низкой температуре. Для области 8... 14 мкм требуется, как правило, температура ФЧЭ от 15 до 30 К, а для области 3...5 мкм-40... 65 К. Техническая реализация этих требований в некоторых случаях представляет серьезную проблему, и в большинстве прикладных задач приводит к сущ венному удорожанию системы охлаждения. Примесным ИК ПЗС свойственна также относительно невысокая квантовая эффективность (примерно 5... 30%), что связано с большой глубиной поглощения излучения в примесных ФЧЭ. Это в свою очередь причиной возрастания перекрестной связи элементов в матрице, возникающей из-за многократных отражений излучения.
может явиться
может явиться
Режим работы примесных ИК ПЗС. В настоящее время (1978 г.) разработки примесных ИК ПЗС сосредоточиваются на системах Si-Ga для диапазона 8... 14 мкм и Si-In для диапазона 3... 5 мкм [57]. В зависимости от фоновой облученности рабочая температура ФЧЭ на основе Si Ga меняется от 15 до 30 К, а для Si-In-от 40 до 60 К. Как было гВ^£2Д‘ 13 ^3’ перенос в ПЗС при этих температурах идет с высокой эффективностью.
Так как приемники на примесном поглощении являются по своей
природе приборами на основных носителях заряда, а обычные ПЗС работают на неосновных носителях, при построении примесных ИК ПЗС возникает противоречие. Чтобы устранить его, предлагались и были опробованы различные решения. Одно из них состоит в наращивании на подложке эпитаксиального слоя с противоположным подложке типом проводимости и в формировании ПЗС в этом слое. В этом случае основные носители, генерированные светом в подложке, после инжектирования в эпитаксиальный слой становятся для него неосновными и в дальнейшем подвергаются таким же воздействиям, как в обычных ПЗС. Другое решение состоит в изменении полярности фототока перед вводом его в ПЗС с помощью буферной электронной схемы. Такую схему можно создать вместе с ПЗС в одном технологическом процессе, не выходя за пределы технологии ИС. Для сочетания специфических примесей, используемых для создания $1:Х-приемников (например. Ga, Al. In), с примесями, применяемыми в кремниевых ИС (например, Р, As, В), нужны специальные технологии. Кроме того, особая структура прибора, включающая эпитаксиальный слой с формируемым в нем ПЗС, выдвигает дополнительные требования к совместимости технологиче
ских операций.
Знергия электронаЗнергия электронаВ настоящее время ведутся весьма интенсивные исследования в области примесных ИК ПЗС, но публикаций пока относительно немного. Сообщалось о разработке ИК ПЗС на основе Si:Ga [60]: ПЗС работал в режиме инверсии, использовались поликремниевые и алюминиевые затворы, регистр сдвига обслуживал линейки из 8, 16 и 32 фоточувстви- тельных элементов. При воздействии излучения черного тела с температурой 800 К, частотах модуляции сигнала 10 Гц... 1 кГц и тактовых частотах 10... 100 кГц в этих ИК ПЗС были получены значения ОСШ Ю3... 104. Сообщалось также об ИК ПЗС на основе матрицы из 2 х 32 элементов площадью 100 х 100 мкм2 [57]. Однородность чувствитель-
Знергия электрона
Знергия электрона
Рис. 13.29. Энергетическая зонная диаграмма МДП-структуры в режиме аккумуляции ниже температуры вымораживания примеси.
ности в этих приборах ограничивалась колебаниями концентрации Ga в подложке: ее разброс составлял приблизительно 15%.
Для использования в примесных ИК ПЗС были также исследованы ПЗС на основных носителях заряда, или ПЗС с аккумуляцией [4, 59, 60]. Режим аккумуляции в МДП-структуре реализуется при подаче на затвор напряжения такой полярности, при которой у поверхности раздела полупроводник-диэлектрик концентрируются основные носители. На рис. 13.29 показана энергетическая диаграмма зон в МДП-структуре в режиме аккумуляции при температуре ниже температуры вымораживания примеси. Установлено, что типичное значение эффективности переноса в ПЗС с аккумуляцией составляет в лучшем случае 0,9. Таким образом, в этом режиме эффективность переноса по крайней мере на порядок хуже, чем в приборах с инверсией при тех же температурах.
кристалл примесного ПЗС с;-л» „ ~ nviv tut Di.ua с тестовымикристалл примесного ПЗС с;-л» „ ~ nviv tut Di.ua с тестовымиРис. и.зи. э структурами.
кристалл примесного ПЗС с;-л» „ ~ nviv tut Di.ua с тестовыми
кристалл примесного ПЗС с;-л» „ ~ nviv tut Di.ua с тестовыми
Кристалл с экспериментальным ИК ПЗС на основе Si:Ga [53] показан на рис. 1^3.30. Он содержит приборы как с инверсией, так и с аккумуляцией. Фоточувствительные элементы площадью 200 х х 200 мкм2 соединены с регистром сдвига ПЗС посредством прямоин- хекционных схем так, чтобы организовать режим ВЗН.
ИК ПЗС на собственном поглощении (узкозонные). ИК ПЗС на собственном поглощении, или узкозонные ИК ПЗС, аналогичны обычным кремниевым ПЗС с той лишь разницей, что их подложка выполняется из узкозонного полупроводника. Устройство и работа этих приборов, точно так же, как и ПЗС на кремнии, основывается на создании области инверсии на поверхности полупроводника, где собираются генерированные излучением носители заряда. Ширина запрещенной зоны материала подложки определяет положение полосы собственного поглощения и, соответственно, возможность работы в том или ином атмосферном окне прозрачности в ИК-диапазоне. Полупроводниковые материалы с требуемой шириной запрещенной зоны обычно подбирают из двойных или тройных соединений элементов Ш-У, II —VI и IV-VI групп [61, 62].
Узкозонные полупроводники. Три наиболее употребительных материала для приемников ИК-излучения-это арсенид индия InAs ^Ед % 0,4 эВ, \ ^ 3,0 мкм), антимонид индия InSb (Ед % 0.23 эВ, \ % % 5,4 мкм) и теллурид кадмия-ртути Cdo.2Hgo.8Te (сокращенно КРТ) <Ед % 0,09 эВ, Хс % 14 мкм). В табл. 13.2 представлены расчетные значения времен хранения и эффективностей переноса для ПЗС на этих материалах, а также исходные параметры для расчета этих величин. При угле зрения 30е' на фон с температурой 300 К падающий на приемник поток фотонов меняется от QR ^ 2-10н см"2с L для InAs до QB% % 6-Ю16 см-2с~1 для КРТ, причем контраст kQ^, отвечающий перепаду температур 0,1 К, составляет от примерно 0,7% для InAs до 0,05% для КРТ. Столь низкий контраст выдвигает жесткие требования к однородности материала, если необходима реализация режима ограничения тепловыми флуктуациями фона (BLIP-режима). При этом наибольшее время хранения имеет InAs (почти 2 с при 77 К и 20 мс при 150 К). Время хранения в InSb, ограниченное током термогенерации, изменяется на два порядка величины в зависимости от типа материала: Tth ^ 10 мс для материала д-типа и ilh % 2 с для материала л-типа. Однако поскольку определяющий вклад в генерацию в обоих случаях вносит фоновый поток, результирующее (с учетом фонового тока) время хранения меняется лишь на 60% (от 3,6 до 5,8 мс). Результирующее (с Учетом фонового тока) время хранения для Hgo.sCdo.aTe составляет 13 мс при использовании в качестве диэлектрика МДП-структуры SiO2 и 250 мкс при использовании ТЮ2. Время /4, необходимое для переноса 99,99% заряда, рассчитывалось для затвора шириной 10 мкм. Для InAs дичина г4 составляет 320 нс при 77 К и 220 нс при 150 К. Как в следовало ожидать, наименьшее время переноса /4 (М нс) имеет ujc
никоей" 2' CD0ЙCT,", М“ТС₽""“ Н "₽'“» релаксации МДП-структуры на
Полупроводник~InAs
оснопс некоторых ИК-чуветвительных полупровод.
fnSbн
примени
Рабочая температура. К
Ширина запрещенной зоны. эВ
Av, мкм
Спектральный диапазон чувствительности
А, ... А-,, мкм
К>Х| ■•• Х^' фотон/см"^"1 ^Vb /VB'
Относительная диэлектрическая проии- цacмocть•,р
Время жизни неосновных носителей заряда т. с'
Концентрация собственных носителей.
и 0,41 3.0
7,0- 10"8-
п
150 0,39 3,2 2,0...2,5
J.81011
0,7
14,5
J8,0-Ю*9"
Рп
77
0,23
5,4
3,5... 4,2
1,6-1014
0.3
17,0
2,0-10" 10 я*5,0-10" 8 д*
п
11
0,09
14
8...14
5,9- Ю16 0,05
18,0
10"7**
Концентрация примеси N. см"3 Подвижность в инверсионном слое цсГГ. см7(В-с)
Начальное значение поверхностного потенциала tps0“\ В
6,8 - Ю2е’
6.0- Ю16
350,0х*
0,8е1
2,5-101Ое) 6,0- I016
280,0 х*
0,8х*
6,4- 10»е» 6,0 1015
3,0 - 104 д*
2.5х*
6,4 108е* 6,0-1013
3,0-103 л*
2,5х*
2- Ю13**
1015
600 ”
SiO2 TiOz
Конечное значение поверхностного потенциала <pv, В
Максимальная поверхностная плотность заряда в инверсионном слое Qinv, Кл/см2 Время релаксации при рабочей температуре , ср
Время релаксации при воздействии фона комнатной температуры т8н), с Общее время релаксации тс,’с Время переноса заряда /4°*, с
0,42
5,0-10"8
2,7-106
1,7
1,7
3,2 - Ю"7
0,38
6,3- 10"8
1,810"2
1,9
1.8Ю"2
2,2-Ю"7
0.21
1.4- Ю"7
МО"2
5.9- 10"3 3,6-10~3
1.1 • I0"9
3,7х*4,9я*
°,210,050,05
1.410"71.6I0"73,310"6
2.15,2-Ю"59-Ю"4
5.9-10"31,8 IO"53 6-Ю"4
5.8-10"31,3-Ю"52 5-10"4
2,9-Ю"81,3-Ю"7MIO"7
держатся в работе Мосса и др. г) См.
Диксона. ” См. работу Тэша и др. ии нм. 75. м Номинальное значение
работу МихайловойЗи др.^См.’^або™ Ж^^^^параметрах, а также ссылки coj
§ Е К
2 г
Я
to Е из в аз я о
я
го
го я
оз у го
ж
о
аз Л го
Эго тз
to аз я я го
я о> о ТЗ о я
ж я л X го X Я Я оз Яс
Я X
со я
я о X
О Я я го я я
X го
о fa Я аз X fa о-
У л о X
§
я я
ж
to
го
2
to
я го X
5
я
to
Я to
я о
S
2
о
я я X
я
tr го аз
я
аз
я
I г
ж X го я я ж
s
я
я о го я го 1а
я
to аз
Об
Е о го о
я<
СП Е
"3 Яс
я го о с я о to я
"ТЗ Ж
го с-
X
я
го
X
2 я Ch ч
ГО . ЯС
со Е X
я Е 2
о я 3 to Я О
2
я о л о
х
Е я я го
9 го 2 Е
я
V И О
2
о Ch
Я о
о я л У
я 9 го 2 to
Е
я
я
х о я я го я
х to X го 2
я го
го Я о го о 2 м to тз ж Я to
О1 О ■о о to
о
ЭЙ соя >" я
"^5
е
«б
Е я ЯС
я W О я
□ со S
ж со я ас го
2
8
to
X к §
Ж
св
го to о го
я у to to аз я я го
5 о ScE
ГО ЯС
■О
Ch о
150150ЭнергияЭнергияРасстояниеРасстояниеПриборы с зарядовой связью
150
150
Энергия
Энергия
Расстояние
Расстояние
Рис. 13.31. Зонная диаграмма фото- чувствительного элемента на основе барьера Шоттки.
Для применения в ближнем ИК-диапазоне исследовались ПЗС на основе Ge [70]. Ширина запрещенной зоны Ge около 0,67 эВ, что позволяет получить область спектральной чувствительности приблизительно до 1,8 мкм. Сообщалось о 10-элементном приборе, работающем при 200 К с эффективностью переноса рх = 0,975 при 20%-ном «жирном
нуле».
ИК ПЗС на основе барьеров Шоттки. Другой тип ИК ПЗС основан на использовании эффекта «внутренней фотоэмиссии»-эффекта Шоттки) в структурах металл - полупроводник (барьер Шоттки), расположенных на единой кремниевой подложке [71, 72]. Этот эффект схематично представлен на рис. 13.31. Фотоны с энергией И» < Ед поглощаются в металле, генерируя «горячие» носители 1}. Носители с энергией, достаточной для преодоления барьера, и импульсом, направленным в надлежащую сторону, перебрасываются в полупроводник. При освещении барьера Шоттки со стороны полупроводника темп фотогенерации определяется только поглощением в металле и эмиссией через барьер, что приводит к высокой однородности чувствительности структуры. Квантовая эффективность приемников на барьерах Шоттки снижается с уменьшением энергии фотонов, и в интересующем нас диапазоне длин волн ИК-излучения весьма мала. Например, для диодов Шоттки на основе Au/p-Si сообщалось о квантовой эффективности, около 1% на длине волны 3 мкм [73]. Однако благодаря высокой однородности чувствительности эти приборы могут оказаться полезными при создании больших «смотрящих» матриц, низкая чувствительность которых может быть скомпенсирована длительным временем накопления для поддержания необходимого порога обнаружения. В работах [71, 72] изучалось функционирование 64-элементных линеек ИК ПЗС на барьерах Шоттки. Структура такого прибора представлена на рис. 13.32. Затвор переноса (4) (разрешающий затвор), проходящий над всеми индивидуальными диффузионными областями переноса (8), осуществляет связь фоточувствительных элементов (3) с ячейками ПЗС-регистра. На рис. 13.33, а показано сечение прибора. Разрешающий затвор (4) сраба-
равновеснымравновеснымчисло носителейчисло носителей) То^ есть увеличивая по сравнению с с высокой энергией.-Прим, персе.
равновесным
равновесным
число носителей
число носителей
Рис. 13.32. Структура /-контакт шины сброса, 4 - разрешающий затвор;зия (/>4 S-исток цепи /О-подзатворныи окисел.Рис. 13.32. Структура /-контакт шины сброса, 4 - разрешающий затвор;зия (/>4 S-исток цепи /О-подзатворныи окисел.
Рис. 13.32. Структура /-контакт шины сброса, 4 - разрешающий затвор;
зия (/>4 S-исток цепи /О-подзатворныи окисел.
Рис. 13.32. Структура /-контакт шины сброса, 4 - разрешающий затвор;
зия (/>4 S-исток цепи /О-подзатворныи окисел.
ИК ПЗС на основе барьеров Шоттки [72].
2-затвор сброса: 3- металлическое покрытие барьера Шоттки, 5-затворы регистра сдвига; 6 подложка р-типа; 7 - стоп-диффУ' переноса; 9-исгоковая диффузионная область цепи сброса, //-шина сброса (сток).
88
8
8
б
Рис. 13.33. Распределения поверхностного потенциала в различных режимах работы ИК ПЗС на основе барьеров Шоттки [72].
а-сечение прибора; б-обычный режим; в режим скимминга.
затвор сброса; 2 барьер Шоттки- 3- разрешающий затвор. 4 Затвор регистра сдвига; 5-стоп-диффузия кР ); б-исток переноса, 7-исток цепи сброса; S-шина сброса (сток).
тывает в периоде высокого потенциала на затворах фазы, принимающей заряд, одновременно сбрасывая заряд всех ФЧЭ в регистр сдвига (рис. 13.33.6). ИК ПЗС может также работать в так называемом режиме скимминга, при котором в каждом канале происходит вычитание фиксированного заряда (приблизительно отвечающего фоновому заряду) из полного заряда, накопленного в ФЧЭ °. Это достигается с помощью полевых транзисторов в каждом канале, показанных на сечении в левой части прибора (рис. 13.33, в). Полезный заряд (оставшийся после вычета фонового заряда) можно легко обрабатывать в регистре ПЗС 2). Операция скимминга не позволяет вычесть в каждом канале в точности тот заряд, который отвечает накопленному в данном ФЧЭ фоновому току; однако ввиду высокой однородности чувствительности, которая, по-ви- димому, будет свойственна большим матрицам ИК ПЗС на основе барьеров Шоттки [72], эта процедура может быть эффективной.
Гибридные ИК ПЗС
Так как в гибридных ИК ПЗС используется соединение двух элементов. технология каждого из которых в достаточной степени отработана, эти приборы с самого начала привлекли большее внимание, чем монолитные ИК ПЗС. Материалами фоточувствительных элементов, сопрягаемых с ПЗС с помощью различных схем ввода заряда, служили InSb [75, 76] для области 3-5 мкм, PbSnTe [58, 79] и HgCdTe [77, 78] для области 8... 14 мкм.
Двумя основными способами ввода сигнала ИК-фоточувствительных элементов в регистр сдвига ПЗС являются непосредственная связь с ПЗС и связь посредством буферной электронной схемы (рис. 13.34). При непосредственной связи каждый фоточувствительный элемент соединяется с входной диффузионной областью ПЗС (прямая токовая инжекция) или входным затвором входного, устройства (модуляция по затвору). При связи посредством буферной схемы сигнал вначале обрабатывается ею, а затем вводится в ПЗС.
Прямая токовая инжекция. В прямоинжекционных гибридных ИК ПЗС фотогенерированный заряд поступает в регистр сдвига непосредственно из цепи ФЧЭ [54, 56]. Поскольку в такой схеме осуществляется связь ФЧЭ с ПЗС по постоянному току, она подходит лишь для таких ФЧЭ, которые характеризуются сравнительно небольшими токами (на-
° Английское слово skimming буквально означает «снятие» (верхнего слоя). На диаграмме потенциалов ему отвечает «слив» полезного заряда, расположенного выше уровня барьера, тогда как заряд, расположенный ниже, задерживается и затем удаляется из ПЗС. Величина этого заряда, вычитаемого из первоначального определяется положением вершины барьера. При.м. персе.
Так как он значительно меньше полного (включая фоновый) заряда- Прим. персе.
ИК- фоточувствитвльныеэлементы
Рис. 13.34. Типы входных устройств в гибридных ИК ПЗС.
/-диффузионные области; 2-выходная диффузионная область; З-входная диффузионная область.
пример, фотодиоды или примесные фоторезисторы), так как зарядовая емкость ячейки ПЗС-регистра ограничена п.
На рис. 13.35 схематически представлен принцип действия прямоинжекционного входного устройства гибридного ИК ПЗС на примере сопряжения фотодиода на основе (Pb, Sn)Te и «-канального ПЗС. С точки зрения гибридных ИК ПЗС гетероструктура (Pb, Sn)Te/PbTe особенно привлекательна, так как она допускает создание относительно несложной конструкции типа «сандвич», в которой полностью используе тся площадь поверхности полупроводника для приема излучения (т. е. площадь не расходуется на межсоединения элементов схемы). Как показано на рис. 13.35, ИК-фотодиод подключается параллельно кремни евому диоду ПЗС, л+-область которого служит входным контактом. Первый затвор МДП-структуры, на который подается напряжение lG, служит для задания режима обратного смещения на обоих вышеотмечен ных диодах. Заряд, накапливающийся под затвором, находящимся под потенциалом ^, изолирован от канала ПЗС запирающим напряжением ^т на следующем затворе-затворе переноса. По истечении периода считывания (времени накопления) tR на затвор переноса подается больш ий потенциал, и накопленный заряд переносится в канал регистра сдвига ПЗС.
Модель для расчета эффективности инжекции. Важнейший параметр прямоинжекционных гибридных ИК ПЗС - коэффициент инжекции, определяемый как отношение заряда, введенного в ПЗС. к полному
В настоящее время в гибрилныхИК^и^) ^"оляю?
ва скимминга и деления заряда пос. Р.ьЮ региСтра сдвига, они име. вводимые заряды с управляющей спх фоновых токов, в ко P
существенно расширить диапазон ДОПУ
нима прямоинжекционная схема. Ир г
Рис Н 35. Прямоинжекционный ввод сигнала фотодиода в ПЗС в гибридных И К* ПЗС [79].
заряду, генерированному излучением в ФЧЭ [74, 79]. Для расчета коэффициента инжекции необходимо сначала выяснить, какова эквивалентная схема нагрузки, роль которой по отношению к ФЧЭ играет ПЗС. Фактически рассматриваемое входное устройство ПЗС представляет собой МОПТ, в котором истоком является входная диффузионная область ПЗС, а находящийся под напряжением ^ затвор, создающий потенциал инверсии <р$ на поверхности полупроводника, формирует эффективный сток транзистора. Чтобы заряды накапливались под электродом хранения, необходимо устанавливать Vs > 1^, создавая тем самым режи.м насыщения для МОПТ. Однако ток насыщения в цепи стока МОПТ отличается от его величины в обычной схеме с заземленным истоком, так как в рассматриваемой схеме он определяется током ФЧЭ °.
В результате увеличивается потенциал истока, обеспечивающий протекание в МОПТ тока заданной величины. Напряжения на затворе и стоке МОПТ. определяющие ток, должны быть взяты по отношению к истоку. В режиме насыщения проводимость стока мала <gD = = ciD!dVD % 0), и малосигнальная проводимость, которую «ощущает» ФЧЭ, определяется приращением тока при единичном приращении напряжения затвор-исток, т.е. крутизной дт. Однако по мере накопления заряда в сгоке его поверхностный потенциал уменьшается и может дойти до значения, когда разность потенциалов сток-исток меньше разности потенциалов затвор-исток, т. е. МОПТ может выйти из режима^ насыщения. При дальнейшем возрастании потенциала стока входной ток также будет соответственно уменьшаться (что, вообще говоря, очень удобно с точки зрения возможности автоматического ограничения переполнения). Входная емкость ПЗС представляет собой параллельное соединение емкости входного диода на под- ложку емкости входного диода на затвор2) и емкости канала
п Точнее говоря, ток насыщения при данном потенциале на затворе МОПТ определяется в этом случае последовательно включенными сопротивлениями ФЧЭ и выходного МДП-транзистора- Прим, персе.
2* По малому сигналу затвор считается накоротко соединенным с подлож-
ИК-приемник iBxod ПЗС ——♦
lD
9т
г2
Рис. 13.36. Эквивалентная схема прямоинжекционного ввода [79].
МОПТ”, причем из перечисленных емкостей преобладает вторая [81] 2). Таким образом, эквивалентную схему прямоинжекционного соединения ФЧЭ с ПЗС можно представить в виде простой схемы, изображенной на рис. 13.36. На ней iD есть ток ФЧЭ (сигнал + фон + темновой ток)3), а емкость CD и проводимость GD представляет собой параметры ФЧЭ. Протекающие в схеме токи определяются выражениями:
/D = 4 + /2, (13.53) ix^GD + sCD) = i2Kgm + sCgs), (13.54) где /2-ток, инжектированный в ПЗС; 5-переменная Лапласа. Коэффициент инжекции Hinj определим как отношение малосигнальных токов /2 и ix:
Лinj = 6Л1 — -—^ТТ"г™ v г \Кл и. г 1 ’ (13.55) 9т Т ^D 1 4* $ (CD + Cg^l\Qm + Up)
его модуль есть
1 + го2
CD + C^JY
(13.56)
I HlNJ I — — г gm-^-GD_
Таким образом, определяя коэффициент инжекции на низкой частоте как
П.м(0) = дтКдт + Gd\ можно написать
9т + G
D
21
- 1
hlNj| = TllNj(O) 1 + to2
L gs т V D 9т + GD
Крутизна МОПТ в режиме насыщения [2] есть >
кои-Прим. персе.
” Включение этой емкости в эквивалентную
(13.57)
входную емкость ошибоч-
"° ^^7 тех случаях, когда затвор МОПТ перекрывает область истока,- Кнеппе постоянных фонового и те«^"
сигнальной схелге ошибочно. Эти токи в сумме,рабочую точку схемы и
но превышающий сигнальный, заданиюкпутизны Однако к малосиг- определяющий значение дифференциально
нальным токам эти токи не имеют отн ~ ^ительно сильноточный) режим
41 Здесь подразумевается надпороговыи (ог»^ь3овании фотодиодов в спект- работы ИК ПЗС, обычно возникающий при ист
ральном окне 8...14 мкм.-Прим, перев.
= Ji^Zy^iU <13'58) где Z-ширина канала. L-длина канала, ц„ - подвижность электронов при рабочей температуре. С,-емкость диэлектрика на единицу площади, /о-ток стока, или /2. Таким образом, в силу зависимости дт от инжектируемого тока коэффициент инжекции также зависит от этого тока.
Хорошим примером может служить случай прямой токовой инжекции в ПЗС сигнала фотодиода из (Pb, Sn)Te/PbTe, чувствительного в области 8... 12 мкм. Плотность фонового потока фотонов равна приблизительно 1 ■ 1017 см~2с-1, что при площади ФЧЭ 130 х 130 мкм2 приводит к фоновому току около 2 мкА. Для фотодиода типичны следующие значения параметров: обратное смещение 0,1 В, при котором Gd = 200 мкА/B. CD = 20 пФ и полный ток фотодиода iD = 20 мкА.
Это ошибка: в надпороговомЭто ошибка: в надпороговомПараметры входного устройства ПЗС можно в определенных пределах варьировать, ставя задачей максимизацию коэффициента инжекции. И крутизна дт, и емкость исток-затвор Сд$ зависят от размеров электродов и топологии входного устройства. Крутизна прямо пропорциональна отношению Zjl?- канала МОПТ, а емкость Cgs зависит от площади перекрытия входной диффузионной области истока МОПТ с его затвором, а также от толщины окисла. Так как емкость фотодиода CD, как правило, значительно больше Cgs, ширину канала входного устройства можно увеличивать без заметного увеличения суммарной емкости. Это проще всего сделать при использовании клиновидной в плане системы разводки входных устройств ПЗС [82], когда размеры входного устройства не связаны прямо с шагом ячеек ПЗС. В частности, в весьма широких пределах можно менять отношение Z/L канала входного устройства. В качестве ориентировочных можно принять следующие значения параметров ПЗС при температуре 77 К:
Это ошибка: в надпороговом
Это ошибка: в надпороговом
Рис. 13.37. Частотные зависимости коэффициента инжекции при прямоинжекционном вводе сигнала в гибридных ИК ПЗС [79].
режиме при заданном фоновом токе 9т ~ V^'U а в подпороговом дт не зависит от Z и L. Крутизна пропорциональна только в условиях режима постоянного напряжения исток-затвор, который в рассматриваемой схеме не имеет места.- Прим, перев.
а = 500 мкА/B и, Cgs = 1 пФ, Z = 2,54-10*2 см, L= 2,54- Ю"3 см Z/L= Ю, Ил (77 К) = 4" *°4 см2В *с 1 (см. работу [83]), ^ = 2,3-Ю8 Ф/см2, х, = 1500 А.(В59)
Зависимости коэффициента инжекции от частоты при различных значениях параметров входного устройства ПЗС приведены на рис. 13.37; параметры изменялись путем варьирования ширины канала входного устройства. Таким образом, изменялись как соотношение размеров входного канала, так и общая площадь затвора, те. одновременно изменялись крутизна и входная емкость2’. Если ИК ПЗС представляет собой часть фокально-плоскостного приемника изображения, работающего в режиме телевизионного стандарта, эффективность инжекции на частоте, скажем, 6 МГц составит п^ = 0,57 (для кривой А на рис. 13.57) и t|inj = 0,32 (для кривой 5). Отсюда следует, что удобно иметь последовательно-параллельную систему считывания, в которой можно снизить максимальную частоту вводимого в ПЗС сигнала путем увеличения числа каналов (элементов) ИК ПЗС; тем самым можно добиться максимальной эффективности инжекции. В случае, когда фотодиод работает в BLIP-режиме, в его токе преобладает фоновый ток, которым и определяются крутизна и коэффициент инжекции [75]. В спектральном диапазоне 3...5 мкм фоновый ток столь мал, что режим работы входного МОПТ становится подпороговым (режим слабой инверсии), а крутизна выражается следующим образом [75]:
8„ = Ф0,кТ3\(13.60)
где iD = v\qADQB, ^-квантовая эффективность, /^-площадь ФЧЭ, QB- плотность падающего потока фотонов, к - постоянная Больцмана,
Т'Параметр^ прямоинжекционных ИК ПЗС. Для области спектра З...5мкм сообщалось о прямоинжекционных ПЗ на осно
Милтон и Хесс [75] описали работы ИК ПЗС и ИК ПЗИ на осно _ Френч и др. [76], также изучившие ИК ПЗС на основе InSb, один ПЗС-мультиплексор в фокальной плоскости, а другой, " ишй функцию ВЗН- вне ее (рис. 13.38). Линеика ФЧ и пзС-муль- 32элемента и работала при температуре 77 К, как и кри типлексора. Тактовая частота ПЗС-мультиплексора^— а регистр ВЗН тактировался с частотой 2105 1 U- Сравнись
1 в силу изложенного выше ясно, что это значение кру ^Ппим песев связано с определенным входным током. Расчет дает /,идти
Так как площадь затвора не влияет на входнуюр Во3растающей
только о влиянии емкости перекрытия затвора с истоко я» Р линейно с: ростом Z. Прим, ^реввключают безразмерный
В знаменатель формулы (13.60) часто такжесм
коэффициент [аналогичный коэффициенту Р неидеальности Р „ ер . £ ’;
Формулу (12.81)]. Этот коэффициент отражает »™»™e ™""„И Sa ностными состояниями в реальных структурах. В о у п~ \~Прим. перев.
Движение изображения-*ШДвижение изображения-*Шп-.элементныйприемникп-.элементныйприемникп-элементный регистрсдвига ПЗСп-элементный регистрсдвига ПЗС55л-элементный регистр сдвигал-элементный регистр сдвигаОбработка сигналаОбработка сигналаВЗНВЗН
Движение изображения
-*Ш
Движение изображения
-*Ш
п-.элементныйприемник
п-.элементныйприемник
п-элементный регистрсдвига ПЗС
п-элементный регистрсдвига ПЗС
5
5
л-элементный регистр сдвига
л-элементный регистр сдвига
Обработка сигнала
Обработка сигнала
ВЗН
ВЗН
Рис. 13.38. Операция ВЗН, выполняемая ПЗС вне фокальной плоскости [76]
время накопления 0,95 мс удавалось реализовать благодаря применению схемы подавления фоновой составляющей. На рис. 13.39 представлены результаты Френча и др. [76] при фоне 3,3-1013см 2с 1. Максимум обнаружительной способности на выходе регистра ВЗН составил D* (X) = 8-Ю12 смТц12/Вт на частоте около 30 Гц. Так как при указанном уровне фона и ВЗН-обработке D* (X), соответствующее ВЫР-режи- му, в 32 раза превосходит его значение для отдельного фоточувстви- тельного элемента и составляет приблизительно 1013 см-Гц1 2/Вт; достигнутые в эксперименте параметры ИК ПЗС являются очень хорошими-они отличаются от предельно достижимых не более чем на 20%.
Ввод сигнала ФЧЭ в ПЗС с использованием буферных схем. Иногда между ИК-приемником и регистром сдвига ПЗС требуется поместить буферное устройство. Это устройство, если определять его задачу обобщенно, некоторым образом подготавливает сигнал к вводу; усиливает его, подавляет постоянную составляющую и т.п. Основное преимущество ввода сигнала с использованием буферных схем состоит в том, что достигается большая гибкость в реализации предварительных обработок сигнала. Однако у такого способа есть и серьезные минусы: например, возрастает потребление мощности, тепловыделение в приборе. усложняется его конструкция, что неизбежно приводит к удорожанию прибора.
В настоящее время опубликованы работы по гибридным ИК ПЗС с буферными устройствами. Приборы построены на основе фоторезисторов из (Hg, Cd)Te для области спектра 8... 14 мкм [77, 78]. Типичные значения сопротивления для таких ФЧЭ лежат в пределах
Рис. 13.39. Частотные зависимости напряжения шума К и удельной обнаружительной способности D* для гибридного ИК ПЗС на основе InSb-приемника [76].
Ю... 100 Ом [84]. Для сравнения: входное сопротивление ПЗС при использовании метода модуляции по затвору при вводе сигнала практически бесконечно. Если же сигнал вводится посредством прямой токовой инжекции, входной импеданс зависит от частоты сигнала (разд. 13.3.3), причем в диапазоне частот 0,5...5 МГц его значения составляют Ю4... Ю5 Ом. Отсюда следует, что в качестве буферного устройства был бы удобен трансимпедансный усилитель. Как и для всех элементов тракта обработки сигнала, для буферного предусилителя необходимо, чтобы: 1) вносимый им шумовой вклад был меньше, чем вклад в шум фоточувствительного элемента; 2) он обладал требуемой полосой пропускания и одинаковым во всех каналах усилением; 3) если такой усилитель выполняется на единой с ПЗС подложке, рассеиваемая мощность не превышала нескольких милливатт на один канал.
Параметры гибридных ИК ПЗС с буферными устройствами. В работе [78] сообщается о разработке многоканального интегрального буферного предусилителя на единой с ПЗС подложке. Прибор предназначен для сопряжения с ФЧЭ из (Hg, Cd) Те в системе с последовательным сканированием (рис. 13.27, а) и ВЗН-обработкой. Каждый канал предусилителя содержит МОПТ, посредством которого задается смещение на фоточувствительном элементе, биполярный усилительный транзистор, включенный по схеме с общей базой, и нагрузочный МОПТ. ПЗС выполнялся с поверхностным каналом, ширина которого возрастала по мере приближения к выходу прибора-для того, чтобы относительный уровень заполнения ячеек в режиме ВЗН был постоянным вдоль всего регистра. Схема буферного предусилителя дана на рис. 13.40. После усиления напряжение сигнала подается на входной затвор входного устройства ПЗС. Этим напряжением модулируется ток. втекающий в ПЗС через диффузионную область и предварительно прошедший через интегрирующую RC-цепь. Этот ток сигнала затем накапливается под электродами хранения, напряжение на которые подается посредством общей шины.
При подаче на входы буферных усилителей одинаковых сигналов на их выходах наблюдался большой разброс откликов (от 9 до 111 мВ), что было вызвано разбросом напряжений отсечки биполярных транзисторов и разбросом сопротивлений нагрузочных МОПТ. Сообщалось о хорошей линейности передачи сигнала (мощность побочных гармоник не превышала 3%) при 77 К, частоте сигнала 10 кГц и тактовой частоте ПЗС 1 МГц, причем динамический диапазон, согласно данным [78], превышал 65 дБ.
В работе [77] сообщалось о многовходовом регистре сдвига ПЗС, используемом в качестве мультиплексора сигналов линейки (Hg, Cd)Те в системе с параллельным сканированием (рис. 13.27,6). Регистр сдвига был скрытым каналом и-типа; прибор содержал 40 входных буферных Устройств, с выхода которых сигналы поступали на входные устройства с «плавающей» диффузионной областью (рис. 13.41). Каждый канал
Буферный предусилитель
ЧТГ, задающий умещение 9ЧТГ, задающий умещение 9НагрузочныйНагрузочный
ЧТГ, задающий умещение 9
ЧТГ, задающий умещение 9
Нагрузочный
Нагрузочный
i—1_ЬПриемник ^изКРТi—1_ЬПриемник ^изКРТ
i—1_Ь
Приемник ^изКРТ
i—1_Ь
Приемник ^изКРТ
V,оV,оОбщая шинаОбщая шинаSi - подложкаSi - подложкаВходная диффузионная областьВходная диффузионная область, ад"Иодозый регистр сдвига на ИК ПЗС\Входной I Л I I,—г-, ад"Иодозый регистр сдвига на ИК ПЗС\Входной I Л I I,—г-диоддиод/ 2 J/ 2 JЛОЛОВыходрегистраВыходрегистраЕмкостнаяЕмкостная— _ связь по— _ связь по—V— ь W1XJV ни переменному току—V— ь W1XJV ни переменному токуj1оилаапеи। t ,j1оилаапеи। t ,ЛО предусилителей на МОЛТ 1 'ЛО предусилителей на МОЛТ 1 '
V,о
V,о
Общая шина
Общая шина
Si - подложка
Si - подложка
Входная диффузионная область
Входная диффузионная область
, ад"Иодозый регистр сдвига на ИК ПЗС
\Входной I Л I I,—г-
, ад"Иодозый регистр сдвига на ИК ПЗС
\Входной I Л I I,—г-
диод
диод
/ 2 J
/ 2 J
ЛО
ЛО
Выходрегистра
Выходрегистра
Емкостная
Емкостная
— _ связь по
— _ связь по
—V— ь W1XJV ни переменному току
—V— ь W1XJV ни переменному току
j1оилаапеи। t ,
j1оилаапеи। t ,
ЛО предусилителей на МОЛТ 1 '
ЛО предусилителей на МОЛТ 1 '
усилительный биполярный
транзистор^2О
6 6 6 6
1 2 3 Сигналы ЛО элементов 37 38 33 ЛО
, КРТ-приемника
^т ч^ ^^ [Структурная схема гибридного ИК ПЗС с буферными предуси-
Буферный предусилитель
Рис. 13.42. Буферный предусилитель на МОП-транзисторе для ИК ПЗС на основе (Hg.CdyTe-npHCMHHKa [77].
буферного устройства содержал однокаскадный МОПТ-предусилитель, разделительный конденсатор и МОПТ привязки (рис. 13.42). Выход предусилителя соединялся с затвором входного устройства ПЗС по переменному току с помощью разделительного конденсатора. Входные устройства работали по методу выравнивания потенциалов, или «налива-слива» [85]. причем «налив-слив» производился из емкости плавающей диффузионной области. Заряд, накапливаемый в этой области, зависит от двух напряжений: 1) напряжения сигнала на затворе I (Ки ” = ^п, за вычетом порогового напряжения этого затвора); 2) опорного напряжения, приложенного к затвору 2 (ГС2 = K«tk за вычетом его порогового напряжения). Так как пороговые напряжения расположенных рядом затворов должны быть практически одинаковыми, названный заряд определяется только разностью Ип — ^сг и от порогового напряжения не зависит. Эффективность переноса в регистре ПЗС составила 0,99996 на тактовой частоте 4 МГц, что обусловило очень низкий уровень перекрестной связи каналов: минус 44 дБ в худшем случае. При частоте входного сигнала 100 кГц весь тракт обладал широкополосным шумом 220 мкВ (в полосе Найквиста 50 кГц). Динамический диапазон линейности по сигналу составлял 50 дБ, в то время как степень подавления постоянной составляющей достигала 75 дБ, Мощность, рассеиваемая МО ПТ-предусилителем, согласно [77] составила лишь 25 мкВт на один канал, что отвечает полной потребляемой прибором мощности I мВт.
14
ПЕРЕДАЮЩИЕ ТЕЛЕВИЗИОННЫЕ ~ ТРУБКИ
Дж. Холл °
ВВЕДЕНИЕ
Обозначения, наименования и единицы измерения величин
Обозначения, наименования и единицы измерения величин приведены в табл. 14.1.
Определения
Название «плюмбикон» (Plumbicon)-торговая марка голландской фирмы «Филипс» (N.V. Philips) для передающей телевизионной трубки типа «видикон» с мишенью из окиси или сульфокиси свинца. В этой главе термин «видикон» используется для передающей телевизионной трубки, в которой изображение, спроецированное на мишень, воспринимается многослойной чувствительной структурой мишени. Мишень поглощает излучение, преобразует распределение облученности в распределение зарядов, копит несущие информацию заряды за время кадра и служит выходным электродом, когда зарядовая картина нейтрализуется сканирующим электронным лучом. Время кадра определяется как время, необходимое для того, чтобы просканировать полное телевизионное изображение один раз.
ТЕЛЕВИЗИОННЫЕ СИСТЕМЫ
ОБНАРУЖЕНИЯ
Телевизионные системы обнаружения, использующие сканирование электронным лучом, давно зарекомендовали себя как экономичные, компактные системы, обеспечивающие получение инфракрасного изображения. Имеются, однако, и некоторые ограничения. Это высокие требования по равномерности: чувствительность всех элементов должна ыть в пределах 99% максимальной и даже выше или должны иметься средства для компенсации неоднородностей. Требуется также улучшение характеристик с целью обеспечения максимального динамического диа-
James A. Hall, Westinghouse Advanced Technology Laboratory.
Таблица 14 1-
Обозначения, наименования и единицы измерения величин
НаименованиеЕдиница измерения
Обозначение
—
-——^"
<2
Площадь4
л
Контраст
с
Контраст в изображении на чувстви-
С!
чкх
тельной поверхности
Передаточная функция контраста, час-
тотно-контрастная характеристика.
Емкость обратной связи в операцион- ’
Cf
ном усилителе
ri')
Сс
Входная емкость первого каскада уси-
Емкость между затвором и активным
ф
с;
каналом в полевом МОП-транзисторе
Шунтирующая емкость мишени на вы-
Ск
ходе сигнального электрода
с, Cs
Накопительная емкость мишени
Шунтирующая емкость на выходе ст- нального электрода, включающая ем-
кость соединений и входную емкость предусилителя
ф
Емкость соединений
кг • м ~ 3
о ж
Плотность материала
Дж • кг-1 ■ К 1
с
Удельная теплоемкость по массе
Джм'3К"‘
СР с*
Удельная теплоемкость по ооъему
D^ d Е Ев
МПФ мишени пирнкона
м
Толщина мишени
Es^,*^
В м"1
Вт • м "2
Es
^^ь изображения рассмат-
Вт- м-2
/г
^Л^остГиЭбражения цели Частота сигнала; пространствен
Вт • м"2_!
Гц; иггр -мм
А
Пространственная частота по горнзон
штр • мм 1
G
Коэффициент усиления усилителя ио
—
Go
"коЭффиХт усиления по.напряжении, в центре полосы или на низких часто
—-
тах сигнала
См (Ом 1)
9т
9»
Крутизна характеристики полсвог0 Крутизна хзрактер! насыщения ^и^ом напряжении сток-ис
. См
н1
Коэффициент сглаживания простран-
——
ственного заряда
А
и
Ток электронного пучка
А
1.
Темновой токтепнеквадратич
Шумовой ток (всегда ере ное его значение)
- А
Продолжение таблицы 14.1
Обозначение
НаименованиеЕдиница измерения
Vs к
Спектральная плотность шумового тока А Гц”1/2
Ток пьедестала в пнриконеА
Ток сигнала (обычно пиковое значение) А Относительная диэлектрическая про- — ницаемость
к 1< М
Постоянная БольцманаДж-К-1
Длина канала в полевом транзисторе м
Энергетическая светимость рассматри- Вт ■ м” 2 васмых картины или объекта
МПФ
т
Модуляционная передаточная функция — Линейное увеличение оптической сне- — темы
0
Относительное отверстие оптической — системы
Р Qb ч ч.
Пироэлектрический коэффициентКл-м"2-К"1
Плотность фотонного потока фонафотон/(см2-с)
Заряд электронаКл
Среднеквадратичное значение шумового — заряда на выборку Найквиста, число
л
RB
электронов
ЧувствительностьВ-Вт-1
Эффективное сопротивление электрон- Ом
R_
кого пучка в видиконе
Эффективное сопротивление нагрузки Ом
Rf
на каскадном выходе
Сопротивление обратной связи в one- Ом
Rl
Rp
рационном усилителе
Сопротивление нагрузки видиконаОм
Сопротивление параллельно соединен- Ом
snrd
T
TB
ных RF и Rl в операционном усилителе Отношение сигнала к шуму на дисплее — Температурар^
Эффективная электронная температура К
ТГС
пучка электронов в видиконе
Триглицинсульфат, пироэлектрический —
Tk I.
4 4
материал
Температура мишени^
Постоянная времени глазас
Время кадрас
Активное время строки в телевизионной с
V„
развертке
Напряжение шума стенки баллона, пи- В
Vs
ковое значение на дисплее (эту помеху необходимо устранять)
Рабочее напряжение затвор-истокВ
Шумовое напряжение (обычно средне- В
И ^PO
квадратичное значение)
Выходное напряжениеg
Напряжение отсечки полевого трац-В
зисторар
Напряжение смещения мишенив
Продолжение таблицы 14.1
Обозначение
Наименование
Единица измерения
Пороговое напряжение затвор исток
В
Напряжение сигнала (обычно пиковое
В
'S
значение)
ZT
Передаточный импеданс операционного
Ом
усилителя
а
Формат прямоугольного изображения (обычно отношение ширины к высоте)
—
аг
Коэффициент считывания сигнала при
—
работе с модулятором
а(/„, tpD
Коэффициент считывания сигнала
—
Ширина полосы частот видеоусилителя
Гц
ЬТт
Изменение температуры от одного кадра к следующему
К
8
Коэффициент вторичной эмиссии
—
£
Коэффициент излучения
—
6.
Спектральная плотность среднеквадратичного шумового напряжения усилн-
ВПГ,/2
теля
ч
Диэлектрическая проницаемость вакуума
Ф м 1
X
Длина волны излучения
мкм
м:
Эффективная подвижность носителей в
м2В 1-с 1
поверхностном канале
р
Удельное сопротивление материала;
Ом м; кг-м
плотность материала
а
Постоянная Стефана - Больцмана
Вт ■ м 2 • К 4
т
Постоянная времени
с
Ч
Внутренняя постоянная времени уси-
с
лителя
L
Коэффициент пропускания атмосферы
—
т/
Коэффициент пропускания торцевой пластины (входного окна)
т«
Доля электронов, пропускаемых сеткой
••
Коэффициент пропускания оптики
Ф
Мощность излучения (поток излучения)
Вт
(!)
Угловая частота сигнала
рад с
пазона по сигнальному току. Если этого нет,охлаж-
привести к насыщению яркости изобр^^видикона будет
дения трубки и оптики спектральная |увст
ограничена областью длин волн менеенаправлениях. 1)
Усовершенствование этих трубок Д трхпика- 2) предлрини- совершенствуется телевизионная передают* • чтобы фон можно маются попытки так изменить принципы приема пои ф было исключить или считать пренебрежимо м
ВИДИКОНЫ-ОБЩИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ
Видикон, схематически изображенный на рис. 14.1, первоначально представлял собой простую передающую телевизионную трубку фирмы RCA, в которой тонкий некристаллический слой фотопроводящего материала с высоким сопротивлением (трисульфида сурьмы) служил как фотонным приемником излучения, так и накопителем зарядов, и при сканировании пучком медленных электронов этот слой обеспечивал получение видеосигнала. Входной видеосигнал снимался с прозрачного электрода-покрытия на тыльной стороне фото проводящего слоя.
В настоящее время термин «видикон» стал общим для обозначения любой передающей телевизионной трубки, в которой одна и та же тонкопленочная структура служит и приемником излучения, и выходным электродом, и накапливающим зарядовое изображение элементом, и в которой эта структура сканируется пучком медленных электронов. При этом безразлично, является ли структура кристаллической или аморфной, поглощается ли излучение в результате непосредственного возбуждения пары носителей заряда фотоном или путем индуцированного изменения температуры слоя, изменяется ли вследствие изменения температуры сопротивление слоя или на нем возникает пироэлектрический потенциальный рельеф. В принципе все чувствительные в инфракрасной области спектра передающие телевизионные трубки, применяемые в инфракрасных телевизионных камерах, являются видиконами.
ВакуумВакуум(tlllliuil,(tlllliuil,х Усилительх Усилитель^^^“^ электропроводящий, слои, обычно окись олова при ~30 В^^^“^ электропроводящий, слои, обычно окись олова при ~30 ВФокусирующая системаОтклоняют. ал системаФокусирующая системаОтклоняют. ал системаСоздающая полеСоздающая полеСтеклянное t- НекристаллическийСтеклянное t- Некристаллическийвходное окновходное окносетка *3008сетка *3008. - — слой Sb?Sx. полупроводник с высоким. - — слой Sb?Sx. полупроводник с высокимсопротивлениемсопротивлениемРис. 14.1. Первоначальная конструкция видикона.Облученность изображения изменяет удельное сопротивление полупроводника с высоким удельным сопротивлением, формируя изображение, обусловленное распределением зарядов, которые затем стираются путем сканирования электронным пучком (процесс считывания), в результате чего генерируется видеосигнал.Рис. 14.1. Первоначальная конструкция видикона.Облученность изображения изменяет удельное сопротивление полупроводника с высоким удельным сопротивлением, формируя изображение, обусловленное распределением зарядов, которые затем стираются путем сканирования электронным пучком (процесс считывания), в результате чего генерируется видеосигнал.
Вакуум
Вакуум
(tlllliuil,
(tlllliuil,
х Усилитель
х Усилитель
^^^“^ электропроводящий, слои, обычно окись олова при ~30 В
^^^“^ электропроводящий, слои, обычно окись олова при ~30 В
Фокусирующая система
Отклоняют. ал система
Фокусирующая система
Отклоняют. ал система
Создающая поле
Создающая поле
Стеклянное t- Некристаллический
Стеклянное t- Некристаллический
входное окно
входное окно
сетка *3008
сетка *3008
. - — слой Sb?Sx. полупроводник с высоким
. - — слой Sb?Sx. полупроводник с высоким
сопротивлением
сопротивлением
Рис. 14.1. Первоначальная конструкция видикона.
Облученность изображения изменяет удельное сопротивление полупроводника с высоким удельным сопротивлением, формируя изображение, обусловленное распределением зарядов, которые затем стираются путем сканирования электронным пучком (процесс считывания), в результате чего генерируется видеосигнал.
Рис. 14.1. Первоначальная конструкция видикона.
Облученность изображения изменяет удельное сопротивление полупроводника с высоким удельным сопротивлением, формируя изображение, обусловленное распределением зарядов, которые затем стираются путем сканирования электронным пучком (процесс считывания), в результате чего генерируется видеосигнал.
Рис. 14.2. Чувствительная мишень видикона.
Мишень можно представить в виде набора элементарных конденсаторов, каждый из которых соответствует небольшому участку площади чувствительного слоя. Излучение в* изображении заряжает поверхность, делая ее потенциал более положительным. Электроны пучка, осаж- даясь на свободную поверхность, стирают этот положительный заряд. образуя ток видеосигнала. / пироэлектрическая модель; 2 - модель с фотопроводимостью; 3- диодная модель.
Характеристики считывающего электронного пучка
Всем видиконам присущ некоторый общий механизм работы. Это прежде всего касается взаимодействия сканирующего электронного пучка с тонким слоем мишени в процессе образования видеосигнала. Как показано на рис. 14.2, мишень можно схематически представить в виде ряда конденсаторов, каждый из которых соответствует небольшому участку поверхности. Одна сторона каждого конденсатора связана с прозрачным проводящим слоем, образующим общий сигнальный электрод. Этот электрод через нагрузочное сопротивление видеоусилителя соединен с источником питания мишени, создающим на ней напряжение смещения VR, которое составляет несколько вольт или несколько десятков вольт. Это напряжение положительно относительно термокатода электронной пушки, откуда вылетают электроны луча, сканирующего по свободной стороне мишени и взаимодействующего поочередно с каждым малым элементом поверхности или группой таких элементов. Электроны луча, оставаясь на поверхности, заряжают ее отрицательно, приближая потенциал свободной поверхности к потенциалу катода. Если на чувствительной поверхности нет изображения, процесс заряжания прекращается, когда поверхность становится немного более отрицательной, чем катод. Тогда электроны луча уже не мстут Достичь чувствительной поверхности, а ускоряются по направлению к сетке или возвращаются обратно в электронную пушку. Потенциал на каждом элементарном конденсаторе становится при этом равным напряжению смещения мишени.
Действие потока фотонов, создающего изображение на мишени, заключается в разряде конденсаторов, который происходит быстрее в тех местах, где облученность выше. Свободная или сканируемая поверхность становится более положительной, чем опорный потенциал катода электронной пушки. Когда сканирующий электронный луч возвращается к данной элементарной площадке по истечении времени кадра, электроны остаются на поверхности, вновь заряжая ее до потен-
цнала катода. При разряде элементарного конденсатора они образуют ток смещения, который, протекая через параллельное соединение сопротивления нагрузки и емкостей электрода мишени и входа видеоусилителя в землю, создает небольшое отрицательное напряжение сигнала на входе видеоусилителя. Сканируя электронный луч по поверхности мишени, образуют рисунок растра и получают видеосигнал поочередно с каждого элемента площади мишени. Заряд, сообщенный лучом каждому элементу площади мишени (и, следовательно, величина видеосигнала с каждого элемента), является функцией энергетической экспозиции этого элемента площади в течение времени предшествующего кадра.
Потенциал поверхности мишениПотенциал поверхности мишенипо поперечному сечению пучкапо поперечному сечению пучкааРис. 14.3. Действие электронного пучка.аРис. 14.3. Действие электронного пучка.Во всех видиконах роль электронного луча сводится к «стиранию» заряда поочередно с каждого элемента площади мишени, в результате чего потенциал элемента возвращается на уровень потенциала катода. Максимальный ток сигнала, который можно получить с каждого элемента, ограничивается прежде всего максимальным током, который можно получить от электронного луча (порядка 2 мкА). Часто поперечное сечение электронного луча соответствует размеру элементарной площадки (рис. 14.3, я), и время прохождения луча через площадку составляет малую долю микросекунды. Первые электроны на фронте пучка встречаются с положительно заряженной поверхностью, и многие из них остаются на этой поверхности. Электроны центра пучка попадают уже на менее положительно заряженную поверхность, и их остается на поверхности пропорционально меньше. Наконец, электроны хвостовой части пучка приближаются к поверхности, имеющей потенциал катода или даже более низкий, и очень немногие из них остаются на поверхности (остающихся электронов может не быть вообще). Таким образом, максимальный сигнальный ток, который можно получить от элемента, меньше полного тока электронного луча. Зарядно-разрядный цикл на поверхности мишени иллюстрирует рис. 14.3,6. Большие значения фотонного потока соответствуют большим отклонениям потенциала сканируемой поверхности от номинала. Однако разряжающее дей-
Потенциал поверхности мишени
Потенциал поверхности мишени
по поперечному сечению пучка
по поперечному сечению пучка
а
Рис. 14.3. Действие электронного пучка.
а
Рис. 14.3. Действие электронного пучка.
Экспозиция, превышающая насыщение, в неравновесных условиях
Малая зкепозйидя— Время
а-электронный пучок имеет по поперечному деление плотности тока. Эффективный диам строками растра. Скорость сканирования (считы хает поверхность мишени примерно до потенциала уровня насыщения.а-электронный пучок имеет по поперечному деление плотности тока. Эффективный диам строками растра. Скорость сканирования (считы хает поверхность мишени примерно до потенциала уровня насыщения.6
а-электронный пучок имеет по поперечному деление плотности тока. Эффективный диам строками растра. Скорость сканирования (считы хает поверхность мишени примерно до потенциала уровня насыщения.
а-электронный пучок имеет по поперечному деление плотности тока. Эффективный диам строками растра. Скорость сканирования (считы хает поверхность мишени примерно до потенциала уровня насыщения.
сечению приблизительно гауссово распре- диаметр пучка больше, чем расстояние между “ '""итывания) 35 мкм/0,15 мкс. б-пучок разря- --—а катода пушки в области экспозиций ниже
1 о1 о\Раб5чий диапазон д^ ~oca^°^Wa электронов паларт из-за вторичной эмиссии\Раб5чий диапазон д^ ~oca^°^Wa электронов паларт из-за вторичной эмисси觧ААt § \ Более медл ч 8 Хзлектроны t g \ обратно кt § \ Более медл ч 8 Хзлектроны t g \ обратно к- Потенциалмишени- Потенциалмишенибратно к электронной пушке Когда нет электронов с кинетической энергией, достаточной для достижения мишени, доля осажденных электронов падает до нулябратно к электронной пушке Когда нет электронов с кинетической энергией, достаточной для достижения мишени, доля осажденных электронов падает до нуляРис. 14.4. Доля электронов пучка, осаждающихся на мишень.Рис. 14.4. Доля электронов пучка, осаждающихся на мишень.
1 о
1 о
\Раб5чий диапазон д^ ~oca^°^Wa электронов паларт из-за вторичной эмиссии
\Раб5чий диапазон д^ ~oca^°^Wa электронов паларт из-за вторичной эмиссии
§
§
А
А
t § \ Более медл ч 8 Хзлектроны t g \ обратно к
t § \ Более медл ч 8 Хзлектроны t g \ обратно к
- Потенциалмишени
- Потенциалмишени
братно к электронной пушке Когда нет электронов с кинетической энергией, достаточной для достижения мишени, доля осажденных электронов падает до нуля
братно к электронной пушке Когда нет электронов с кинетической энергией, достаточной для достижения мишени, доля осажденных электронов падает до нуля
Рис. 14.4. Доля электронов пучка, осаждающихся на мишень.
Рис. 14.4. Доля электронов пучка, осаждающихся на мишень.
а-доля считываемого заряда зависит от мгновенного значения потенциала поверхности. Считывающее и стирающее действие сдвигает потенциал поверхности по кривой по направлению к нулю, б-кривая вторичной эмиссии выглядит как зеркальное отражение кривой осаждения электронов пучка, но в действительности спадает к началу координат.
стене луча проявляется не мгновенно, и когда луч при
может сообщить каждому элементу площади мишени _ пушки’ достаточное для возврата к потенциалу катода электронной пушки, достигается предел сигнального тока. 14 4
Дальнейшие особенности работы видикона и™юстр1ФУ
Поток электронов падает по нормали на пл КУ отношению поверхность, потенциал которой вначале отрицат е ДОСТИгая к катоду электронной пушки. Электроны задержи ' уаким поверхности, и ускоряются в обратном направ,J™H хность мишеНи образом, ток к поверхности не течет. К Дс энергией элект- становится более положительной облада^ захватываются поверх- роны пучка могут достичь ее, и мД°™е" тате ynpvnlx соударений ностью, а некоторые рассеиваются в ре у Ус^ки в обратном в поле атомов поверхности и ускоряю • некоторой направлении. Если не считать собираемого степени зависит от энергии, кривая з • первом приближе- поверхностью, от потенциала поверхности - электронном пучке, нии мерой распределения электронов ™ э«ер что распределение Рост кривой примерно экспоненцИ“^ максвелловское. Ток электронов в пучке по энергиям приоли
электронов на поверхность в действительности связан только с составляющей скорости электронов, перпендикулярной поверхности мишени, и в" процессе формирования электронов в пучок распределение по скоростям существенно расширяется по сравнению с распределением по скоростям электронов при выходе их из нагретого термокатода.
Когда потенциал поверхности мишени становится еще более поло
жительным, энергия электронов, достигающих поверхности, возрастает настолько, что становится больше требуемой для начала вторичной электронной эмиссии. Дальнейшее увеличение потенциала поверхности приводит к возбуждению электронов внутри мишени до высоких энергий. что увеличивает вероятность эмиссии до тех пор, пока количество покидающих поверхность электронов не превысит число электронов, приходящих на нее, и ток, заряжающий мишень, не упадет до нуля. Дальнейшее увеличение положительного потенциала мишени будет вызывать уход электронов с мишени, и потенциал поверхности мишени станет более положительным, чем потенциал сетки. Чтобы избежать этого нестабильного режима и гарантировать, что потенциал мишени по-прежнему стабилизируется на уровне потенциала катода, нормально работающая поверхность мишени должна все время иметь потенциал слева от точки А на рис. 14.4. Хотя потенциал А может быть сделан достаточно высоким (порядка нескольких десятков вольт) путем формирования поверхности с низким коэффициентом вторичной эмиссии, этот «перекрестный» эффект ограничивает значение максимального сигнального тока.
В действительности, поскольку электронный луч «наносит» электроны на поверхность с высоким удельным сопротивлением, потенциал какой-либо элементарной площадки при сканировании ее электронным лучом быстро меняется. При высоких уровнях сигнала потенциал поверхности может вначале находиться в точке А, но затем быстро сдвигается по кривой влево. В точке А ток сигнала может составлять существенную часть тока луча, но эта часть быстро уменьшается, потому что цикл заряжания продолжается до тех пор. пока сигнальный ток не становится очень малым. Сканирующий электронный луч в эквивалентной схеме часто уподобляют резистору, включенному последовательно с коммутирующим ключом, который поочередно подключает каждый элемент мишени к земле. Однако согласно этой модели зарядный ток должен быть линейно связан с потенциалом поверхности относительно земли. На самом деле при малых приращениях напряжения изменение происходит по экспоненте. Если перекрыть излучение от рассматриваемой картины, электронному лучу может потребоваться несколько или даже много циклов сканирования, чтобы полностью зарядить поверхность мишени до ее темнового опорного потенциала, а также может потребоваться значительное время для установления нового положения равновесия при изменениях в рассматриваемой картине. если уровень сигналов низкий. Этот эффект, известный как задерж-
ка луча, проявляется в виде остаточного изображения
Он особенно заметен при работе пироэлектрических вип^™1^^ конов), в которых напряжение сигнала образуется тольк^гПИрИ" наблюдаемой картины. Большой разброс электооноя „ Р изменении „ной вдоль оси составляющей скорости не позвол "° ,ШПРаВЛС' н„ полный „о амплитуде сигнал так7м%~^^^
Максимальную величину амплитуды сигнала можно о^дС1ить „о произведению накопительной емкости „а максимальное Отклонение потенциала поверхности, деленному на время кадра. Многие телевизи онные камеры работают в режиме чересстрочной развертки но с доста точно оольшим поперечным сечением электронного луча так Ото мишень практически полностью заряжается вновь за время каждого полукадра, т. е. дважды за кадр. Р каждого
Интегрирование за полный кадр-вторая общая характеристика трубок типа видикон
Эта характеристика ясна из модели мишени видикона, изображенной на рис. 14.2 и состоящей из конденсаторов, которые образуют мозаичную структуру. Модель показывает несколько путей, по которым распределение излучения в изображении может приводить к изменению потенциала поверхности мишени. В традиционном видиконе с чувствительным слоем Sb2S3 слой ведет себя как бесконтактный фоторсзистор. Модель здесь представляет фоточувствительное сопротивление, включенное параллельно с каждым элементарным конденсатором. Поглощенные фотоны изображения возбуждают носители заряда, которые, преодолев запрещенную зону, переходят в зону проводимости и увеличивают проводимость. Заряды сигнала проходят через мишень, в результате чего сигнальный ток оказывается пропорциональным экспозиции в степени 0,7. Как сигнальный, так и темновой ток увеличиваются при увеличении приложенного напряжения.
Мишень плюмбикона или мишень видикона на базе матрицы кремниевых фотодиодов можно смоделировать в виде управляемых фотонами генераторов тока, включенных параллельно с каждым элементарным конденсатором. Каждый поглощенный фотон создает пару носителей, причем дырки диффундируют или дрейфуют к сканируемой стороне мишени, а электроны-к проводящему сигнальному электроду, разряжая элементарные конденсаторы за время каждого полукадра. Поэтому сигнал, считываемый с каждого элементарного участка, пропорционален интегралу по времени от облученности за время кадра. Умноженному на площадь этого участка, независимо от того, является ли облученность постоянной или изменяется во времени. ~
Для чувствительных к изменению температуры мишеней, таких, как в пириконах или термиконах, изменение температуры мишени за время кадра и, следовательно, напряжение сигнала также пропорциональны
интегралу от облученности по времени за время кадра, а не мгновенному значению облученности каждого элементарного участка в момент его сканирования.
Интегрирование за время полного кадра ограничивает возможности восприятия движущихся сцен. Например, видикон можно эффективно использовать для получения телевизионного изображения при наблюдении земной поверхности с самолета лишь в том случае, если оптическая компенсация движения обеспечивает уменьшение перемещения до минимума, составляющего доли элемента разрешения за время кадра. Под кохшенсацией движения изображения здесь подразумевается использование периодической экспозиции, чередующейся с периодическим считыванием так, чтобы обеспечить равномерную экспозицию всех частей чувствительной поверхности.
Шум усилителя
Все камеры с видиконом, изготовленные до настоящего времени, отличаются той особенностью, что в определении отношения сигнала к шуму в системе доминирующим фактором является шум усилителя, и видикон никогда не работает в режиме ограничения только флуктуациями числа фотонов фона (BLIP-режим). Ток сканирующего луча или накопительная емкость мишени и допустимый размах потенциала поверхности действуют таким образом, что предельный сигнальный ток ограничивается величиной 2 мкА при частоте сканирования 30 кадр/с. Приведенный ко входу ток шума типичного видеоусилителя для полосы 4,5 МГц составляет около 2 нА. Шум сигнала 2 мкА в полосе 4.5 МГц составляет около 1,7 10"9 А, что примерно равно шуму усилителя. Таким образом, для достижения BLlP-режима требуется или увеличение максимального тока сигнала, или уменьшение шума усилителя. Поскольку характеристики видеопредусилителя часто определяют таким образом характеристики видикона при низкой облученности изображения или малом его контрасте, конструирование предусилителей рассмотрено отдельно в разд. 14.4.
Неравномерность и паразитные сигналы, вызванные затенением
Даже если видикон экспонируется по всему полю изображения равномерно, видеосигнал по изображению в общем случае непостоянен. Тонкоструктурные вариации часто вызываются вариациями чувствительности от точки к точке, вариациями толщины мишени, «зернистостью» поликристаллических или некристаллических слоев мишени или «электронными тенями», отбрасываемыми полем сетки. Эти эффекты часто называют «когерентными шумами», так как они повторяются в последовательно сканируемых кадрах и влияют на видимость изобра-
жения аналогично упорядоченно меняющимся во времени шумам. Более правильно называть когерентные шумы помехами 1\ Более крупные по площади неравномерности могут быть вызваны паразитными сигналами затенения или более темными и более светлыми пятнами в изображении. Эти паразитные сигналы обычно связаны с локальными вариациями фоточувствительных свойств.
В большинстве видиконов затенение наблюдается по углам изображения. Это может быть вызвано виньетированием внеосевых пучков в объективе и падением электронного луча не по нормали. После того как сканирующий электронный луч в видиконе отклоняется, поля обеспечивают такое изгибание траектории луча, чтобы электроны падали па поверхность мишени по нормали. Однако электроны, сканирующие изображение по нормали, как правило, имеют составляющую скорости в поперечном направлении. Связанная с ней энергия вычитается из энергии, связанной с движением параллельно оси. Поэтому в углах изображения электроны не могут зарядить поверхность до потенциала катода, а заряжают се до более положительного (на несколько вольт) равновесного потенциала. Таким образом, смещение по мишени больше в центре и меньше по краям. Эти вариации оказывают незначительное влияние на работу плюмбикона (разд. 14.5.2), однако в фотопроводящем видиконе паразитные сигналы затенения значительны, достигая величины 10-30% амплитуды сигнала в центре.
/йл-Структура плюмбиконов, в которых и сигнальный, и темновой токи насыщены в режиме нормального смещения мишени, в значительной мере свободна от паразитных помех затенения, связанных с условиями падения электронов на поверхность мишени, но в плюмбиконах может проявляться нежелательная зернистость в изображениях с низким контрастом. Мишени на базе диодных матриц также подходят для получения изображения в инфракрасной области, хотя эффективность сбора носителей при изменении смещения может меняться, вызывая некоторые эффекты затенения второго порядка.
ВИДЕОПРЕДУСИЛИТЕЛИ ДЛЯ КАМЕР
С ВИДИКОНАМИ
Выходной сигнальный электрод видикона электрически может быть представлен в виде генератора тока, зашунтированного емкостью на землю. Уровни сигнальных токов занимают диапазон от нескольких наноампер и до примерно 1 мкА. Полоса пропускания простирается от низких частот до нескольких мегагерц. Уровень шумов цепи нагрузки трубки камеры, идущей к видеопредусилителю, того же порядка, что и сигнал при низких уровнях облученности изображения или при малых контрастах. Таким образом, шум усилителя главный фактор, лимити-
11 В отечественной литературе применяется также термин «геометрический '^-При.м. ред.
рующий характеристики телевизионной камеры с видиконом; поэтому вопросы расчета и конструирования видеопредусилителя следует внимательно изучить.
Характеристики сигнала
Как показано на рис. 14.5. электронный сканирующий луч видикона во время обратного хода по вертикали и по горизонтали бланкируется, так что электроны, которые могли бы стереть сформированное накопленными зарядами изображение, на мишень не попадают. Ток сигнала передающей трубки меняется соответствующим образом в течение каждой активной строки сканирования и падает до нуля на обратном ходе во время бланкирования луча. Временная шкала телевизионных сигналов на рис. 14.6 соответствует стандарту телевизионного вещания США; для других телевизионных применений ее нужно соответствующим образом трансформировать. Для воспроизведения среднего уровня
Мишень трубки^сигнальныйэлектрод)
WWW W
Когда пучок на обратном ■годе блокируется, сигнальный ток равен нулю
Положительные импульсы на катоде пушки предотвращают осаждение электронов на мишени во время обратного хода пучка.Положительные импульсы на катоде пушки предотвращают осаждение электронов на мишени во время обратного хода пучка.Рис. 14.5. Бланкирование электронного пучка во время обратного хода. Накопленный заряд считывается только во время активных строк сканирования. Нулевой ток сигнала во время обратного хода обеспечивает удобный опорный уровень, /-электронная пушка; - -ускоряющий электрод; 3 управляющий электрод. 4 - катод. Сплошными линиями показаны активные строки, штриховыми - денег внтельный ход пучка во время обратного хода и установки уровня.г
Положительные импульсы на катоде пушки предотвращают осаждение электронов на мишени во время обратного хода пучка.
Положительные импульсы на катоде пушки предотвращают осаждение электронов на мишени во время обратного хода пучка.
8 мкс8 мкс63,49 мкс63,49 мксУровень нуляУровень нулямшшмшш1,0В1,0Вшвшв0,1В0,1ВБланкирование камеры обычно yotce. чем бланкирование видеосигнала^.Бланкирование камеры обычно yotce. чем бланкирование видеосигнала^.0,25мкс .Уровень черного"от камеры обычно устанавливается на уровне земли по _ переменному току0,25мкс .Уровень черного"от камеры обычно устанавливается на уровне земли по _ переменному току10,5 мкс (типичное * значение)11,3 (максимальное значение) /Уровень бланкирования10,5 мкс (типичное * значение)11,3 (максимальное значение) /Уровень бланкирования4,76 мкс4,76 мкс9:^9:^WvWvWHM Уровень максимального сигнала
8 мкс
8 мкс
63,49 мкс
63,49 мкс
Уровень нуля
Уровень нуля
мшш
мшш
1,0В
1,0В
шв
шв
0,1В
0,1В
Бланкирование камеры обычно yotce. чем бланкирование видеосигнала^.
Бланкирование камеры обычно yotce. чем бланкирование видеосигнала^.
0,25мкс .Уровень черного"от камеры обычно устанавливается на уровне земли по _ переменному току
0,25мкс .Уровень черного"от камеры обычно устанавливается на уровне земли по _ переменному току
10,5 мкс (типичное * значение)
11,3 (максимальное значение) /Уровень бланкирования
10,5 мкс (типичное * значение)
11,3 (максимальное значение) /Уровень бланкирования
4,76 мкс
4,76 мкс
9:^
9:^
Рис. 14.6. Телевизионный сигнал.
Он включает блокирование и опорные синхронные импульсы для установки соответствующего нулевому току «уровня черного» в видеосигнале.
Яркости телевизионной картины можно было бы нсполь^ икается тель, полоса пропускания которого со стороны
ниже уровня частоты кадров телевизионной сис с 'сообра-
выгоднее ограничивать чувствительность по
зуясь с частотой строчной развертки и осуществл р „ строкн сигнала к опорному уровню напряжения перед иач*. одного или Как показано на рис. 14.6, привязка, осуществляем^ СВЯзанных по нескольких каскадов усилителя с низким уровне' фиксирует
переменному току, во время интервалов блавкир’ и бланки-
нулевой уровень таким образом, что сигналы u _Р изображения. Как рования могут быть независимо включены в си < «чернее», чем видно из рисунка, уровень бланкируюшего ^“^ировать. что обратный нулевой уровень сигнального тока, чтобь. руровнем бланки-
ход строк на дисплее не будет виден-называют
рующих импульсов и нулевым уровнем сиГ
Уровнем бланкируюших импульсов или пьедсс.частотной границы
Использование в качестве определяют ого уровня имеет и то частоты строчной развертки и привяз ' кочастОтных шумов или преимущество, что устраняется влияливыходные каскады
Других явлений дрейфа на частотах ниже jh
предусилителя и источника питания.воспроизведения наи-
Максимальные видеочастоты необходимы для воспр
ШЛГЖХ™вдаль строкиШЛГЖХ™вдаль строкиразверткиразверткиРис. 14.7. Пространственно-частотная характеристика.
ШЛГЖХ™
вдаль строки
ШЛГЖХ™
вдаль строки
развертки
развертки
Измеряется по горизонтали вдоль строки развертки, но относится всегда к высоте растра: /А = Ч^у.
более мелких деталей в направлении строчного сканирования. Как показано на рис. 14.7, в телевизионном растре на практике принято характеризовать пространственно-частотную структуру изображения числом «телевизионных строк» или полуциклов видеоинформации на высоту растра, хотя пространственная частота измеряется вдоль строчной развертки, т.е. в направлении ширины картины. Максимальная требуемая видеочастота (ширина полосы) равна
Д(,Ч1/2)а/^(14.1)
где а-отношение ширины к высоте; ^-активное время сканирования строки (с);/А-пространственная частота по горизонтали (число полуциклов на высоту растра). При принятом в коммерческом телевидении США растре с отношением сторон 4:3 и ^ = 53-10"6 с требуемое максимальное значение видеочастоты составляет
4 Г
ЛЛ = 65Т^(ГЦ)-О42)
Для системы из 350 строк A/v — 4,41 МГц, что примерно соответствует ширине полосы видеосигнала, принятой для телевизионного вещания США.
Расчет предварительного усилитель с подъемом усиления
видеоусилителя - на высоких частотахвидеоусилителя - на высоких частотахОсновы расчета существующих телевизионных предусилителей опираются на психофизиологические особенности наблюдения телевизионного изображения человеком. При воспроизведении картины низкочастотные шумы дают движущиеся полосы вдоль строк сканирования, шумы на средних частотах - характерный эффект «падающего снега»,
видеоусилителя - на высоких частотах
видеоусилителя - на высоких частотах
высокочастотные шумы мелкие мерцающие сцинтилляции тель интегрирует картину в пространстве и времени и какбы ? ^" тывает собственную полосу, согласованную по ширине 'Раба" рассматриваемой картины. Так, на тонкоструктурные высокоча^™" шумы при рассматривании изображения среднего качества ^ТНЫе удается не обращать внимания, эффект «сн^» также вы ядит ™ пусгимым. если перемещать взгляд, фиксируя внимание на сравни™ крупномасштабных деталях изображения. Наиболее непр^т^ми яв ляются низкочастотные помехи. Таким образом, если есть выбор в системах, где изображение наблюдается человеком, следует примет^ телевизионный предусилитель с как можно более высоким отношенном сигнала к шуму в области низких частот, даже ценой уменьшены
отношения сигнал-шум на высоких частотах.
Три типичные схемы предусилителей с цепями нагрузки для передающих телевизионных трубок показаны на рис. 14.8-14.10. В самой ранней схеме (рис. 14.8) ток сигнала трубки образует напряжение на импедансе, состоящем из резистора RL и параллельно включенной емкости Cs. Чтобы максимизировать сигнал напряжения на низких частотах, величину RL делают большой, обычно от I04 до 106 Ом в камерах для вещательного телевидения с быстрым сканированием и до 10® Ом в камерах с медленным сканированием. Емкость Cs (рис. 14.8) состоит из емкости сигнального электрода видикона по отношению к его
ааРис. 14.8. Аналоговый предусилитель классической ТВ-камеры.Рис. 14.8. Аналоговый предусилитель классической ТВ-камеры.«-для обеспечения горизонтальной частотной характеристики в последнем каскаде применена коррекция, дающая подъем характеристики на высоких ча- характеристика«-для обеспечения горизонтальной частотной характеристики в последнем каскаде применена коррекция, дающая подъем характеристики на высоких ча- характеристика«-шумовая«-шумоваястотах;транзистора входныо подъем на высоких частотах, однако это мало заметно наблюдателю.стотах;транзистора входныо подъем на высоких частотах, однако это мало заметно наблюдателю.катода имееткатода имеет
а
а
Рис. 14.8. Аналоговый предусилитель классической ТВ-камеры.
Рис. 14.8. Аналоговый предусилитель классической ТВ-камеры.
«-для обеспечения горизонтальной частотной характеристики в последнем каскаде применена коррекция, дающая подъем характеристики на высоких ча- характеристика
«-для обеспечения горизонтальной частотной характеристики в последнем каскаде применена коррекция, дающая подъем характеристики на высоких ча- характеристика
«-шумовая
«-шумовая
стотах;
транзистора входныо подъем на высоких частотах, однако это мало заметно наблюдателю.
стотах;
транзистора входныо подъем на высоких частотах, однако это мало заметно наблюдателю.
катода имеет
катода имеет
Рис. 14.9. Токовый режим операционного усилителя.а - гоковый режим операционного усилителя обеспечивает горизонтальную частотную характеристику благодаря эффективному уменьшению сопротивления /?L, параллельно которому включены RK и G. б-шумовая характеристика транзистора входного каскада имеет польем к высоким частотам вследствие уменьшения импеданса сигнальный электрод земля, что обусловлено емкостью С$. На нулевой частоте этот импеданс равен V^AkT/Rp)^/Rp1), где \/RP = 1/7?l + 1//?рРис. 14.9. Токовый режим операционного усилителя.а - гоковый режим операционного усилителя обеспечивает горизонтальную частотную характеристику благодаря эффективному уменьшению сопротивления /?L, параллельно которому включены RK и G. б-шумовая характеристика транзистора входного каскада имеет польем к высоким частотам вследствие уменьшения импеданса сигнальный электрод земля, что обусловлено емкостью С$. На нулевой частоте этот импеданс равен V^AkT/Rp)^/Rp1), где \/RP = 1/7?l + 1//?рокружению CR величиной от 5 до 30 пф в зависимости от размера трубки и особенностей ее устройства, емкости соединительных проводов Cw (которая при тщательном конструировании может быть выдержана на уровне от 2 до 3 пФ) и входной емкости CG первого каскада усилителя.
Рис. 14.9. Токовый режим операционного усилителя.
а - гоковый режим операционного усилителя обеспечивает горизонтальную частотную характеристику благодаря эффективному уменьшению сопротивления /?L, параллельно которому включены RK и G. б-шумовая характеристика транзистора входного каскада имеет польем к высоким частотам вследствие уменьшения импеданса сигнальный электрод земля, что обусловлено емкостью С$. На нулевой частоте этот импеданс равен V^AkT/Rp)^/Rp1), где \/RP = 1/7?l + 1//?р
Рис. 14.9. Токовый режим операционного усилителя.
а - гоковый режим операционного усилителя обеспечивает горизонтальную частотную характеристику благодаря эффективному уменьшению сопротивления /?L, параллельно которому включены RK и G. б-шумовая характеристика транзистора входного каскада имеет польем к высоким частотам вследствие уменьшения импеданса сигнальный электрод земля, что обусловлено емкостью С$. На нулевой частоте этот импеданс равен V^AkT/Rp)^/Rp1), где \/RP = 1/7?l + 1//?р
КаскодныйКаскодный2xZN44172xZN4417RfRf«РФ«РФо-о-Выходной сигналВыходной сигналпластинау^ мишени трубкапластинау^ мишени трубкаДополнительный пуитульныи повторитель на выходеДополнительный пуитульныи повторитель на выходеПостоянная токовая нагрузкаПостоянная токовая нагрузкаРис. 14.10. Дополнительный операционный усилитель на полевом транзисторе с р — п-переходом и входным каскодным каскадом (параллельные устройства нс требуются).
Каскодный
Каскодный
2xZN4417
2xZN4417
Rf
Rf
«РФ
«РФ
о-
о-
Выходной сигнал
Выходной сигнал
пластинау^ мишени трубка
пластинау^ мишени трубка
Дополнительный пуитульныи повторитель на выходе
Дополнительный пуитульныи повторитель на выходе
Постоянная токовая нагрузка
Постоянная токовая нагрузка
показанного в виде полевого транзистора.
Напряжение сигнала на входе предусилителя равно
^ДЛ/О + <в2яеС1)1/2. (143)
Усиление сигнала не оудет зависеть от частоты во всей полосе видеочастот, если так рассчитать последующие каскады предусилителя в отношении роста усиления с частотой, чтобы коэффициент усиления усилителя в целом описывался формулой
G = Go х^ + to2RlCs • (14.4)
Источниками шумов являются шумы Джонсона-Найквиста сопротивления RL и шумы первого и последующего каскадов предусилителя. Для входного каскада на полевом транзисторе шум транзистора можно представить в виде внутреннего по отношению к транзистору генератора напряжения белого шума, соединенного последовательно с затвором и. Факторы, определяющие это напряжение шума, обсуждаются ниже.
Поскольку передающая трубка действует как источник тока, вклад шумов описывается в виде эквивалентных токов шума на входе усилителя. Спектральная плотность мощности шума пропорциональна (рис. 14.8) следующему выражению:
</(/,W= 4kTRL + (е„/^)(1 + 4n2f2RiC^, (14.5) в то время как полный ток шума равен
к = М^ + Е^1Ж + №к2С1Е;&Л. (14.6) Здесь Д/„-полоса пропускания видеочастот. Эти выражающие шумы формулы показывают, что RL должно быть большим не только для того, чтобы свести к минимуму эквивалентный ток шума на входе, но и в связи с упомянутыми выше психологическими и физическими особенностями наблюдения: увеличение RL минимизирует вклад низкочастотных шумов.
Чтобы свести к минимуму /„, квалифицированный разработчик может и должен сделать как можно меньше величину С5, уменьшая емкость соединений, а также выбирая входной транзистор с малой емкостью затвора и, если это возможно, передающую трубку с минимальной выходной емкостью. Верхний предел видеочастот должен быть сделан как можно более низким путем применения минимально до-
п Модель, полагающая шум белым то.чна^ ьк^ ДЛ фиксации уровня при с р - п-переходом в системах, где упр - низкочастотных шумов. Как > строчной развертке позволяет избавитьс исторов с р n-псреходом спек р вых МОП-транзисторов, так и У "0ЛС?Ыл ^поле^хтранзисторов с р шумов заX (угловой частотой)-белый. Для - ого ниже частоты СТРОЧ»ОИ Дом приблизительно равно 10применения медленного ска-
развертки вещательного телевидения.учитывающий вклад шума J.
пирования требуется более сложный ан - У
пустимых скоростей сканирования. Выбирая входной транзистор для обеспечения низкого уровня входных шумов, нужно иметь в виду то ограничение, что малошумящие полевые транзисторы часто имеют большую емкость затворов, которая может даже превосходить С$. Альтернативные решения обсуждаются ниже. Вдобавок RL следует выбирать как можно большим. Ограничения в увеличении RL связаны, во-первых, с тем, что ток с сигнального электрода трубки, который для скоростей сканирования, характерных для вещательного телевидения, составляет (1-2)10"6А. должен, проходя через сопротивление RL, создавать падение напряжения всего в несколько вольт, чтобы избежать сдвига рабочей точки трубки при изменении уровня сигнала. Это ограничивает RL величиной примерно 106 Ом в аппаратуре для вещательного телевидения. Во-вторых, последующие каскады предусилителя могут дать усиление, возрастающее на 6 дБ/октава при частотах, более высоких, чем угловая п частота /с = l/(2n/?LCs). При данном Cs и большом Rl угловая частота будет мала. Таким образом, большое усиление на высоких частотах может быть получено без нежелательных сдвигов по фазе в усилителе. Один из возможных вариантов при разработке-выбрать Rl достаточно большим, чтобы первый член, описывающий шум Джонсона, равнялся третьему члену, соответствующему шуму усилителя. Вторым членом в уравнении (14.6) можно тогда пренебречь, и ток шума оказывается равным
/л = VlS^C^AfL(14.7)
Формула (14.7) показывает, что шумы определяются шунтирующей емкостью и величиной е„ на входе усилителя. Поскольку ДД, определяется требованиями к системе, а величина CR- выбором видикона, задача разработчика сводится к выбору входного транзистора и схемы, минимизирующих как Сс, так и ел. Часто эти требования являются взаимно противоречивыми. Возможные компромиссные решения обсуждаются в следующих разделах.
Выбор транзистора первого каскада
Из элементов дискретного типа для телевизионных предусилителей эчмто^1 "олевь,е "-канальные транзисторы с р - «-переходом 2N4391, ~ и J44393, предназначенные для коммутационных применений, и полевой СВЧ-транзистор 2N4417. Большинство так называемых «малошумящих» транзисторов с р «-переходом отличаются высоким значением емкости затвора и менее приемлемы. В табл. 14.2 приведены параметры транзисторов 2N4392 и 2N4417, а также «малошумящего» усилителя транзистора 2N4139.3
тотной^ара^те!^^^частота логарифмической амплитудно-час-
Таблица М.2. Характеристики некоторых полевых транзисторов по данным фирмы «Вестингауз»
Тип транзистора е„ в центре полосы, С, при VQS = 0, пФ дт.^, мСм гнВ/Гц1"
7N4392
1,2
18
10
2N4139
1,8
20
5
2N4417
1,7
4
5
2 х 2N44171’
1,2
8
10
•) Два транзистора, соединенных параллельно.
(14.8)(14.8)В модели шумов полевых транзисторов входной шум связывают с канальным сопротивлением, т. е. с крутизной, следующим образом:
(14.8)
(14.8)
е„ = j4kTA/gm
Коэффициент А является функцией условий работы, особенностей конструкции и технологии изготовления транзистора и теоретически может быть достаточно низким, вплоть до 2/3. Формула (14.8) справедлива для средних по частоте шумов как для транзисторов с ^-«-переходом, так и для МОП-транзисторов. Таким образом, для получения низкого уровня шумов необходимо высокое значение крутизны.
(14.9)(14.9)Крутизна для полевых МОП-транзисторов в схеме с общим истоком в условиях насыщения связана с входной емкостью формулой
(14.9)
(14.9)
^С&р*^- VTMQ
где Со-емкость между затвором и активным каналом, рп -эффективная подвижность носителей на поверхности полупроводника, с длина кана ла между истоком и стоком; ^-рабочее напряжение затвор ic , ^-пороговое напряжение затвор-исток. Для транзисторов р-«-переходом и двумя активными затворами существует анал , но более сложная формула, определяющая крутизну.
. Кр„Сл.„ Г (Ves + Ч>У 2k _^А» (Г«, - Уро) (14.10) + J 2(1^+ Y)2/.2
ДЛЯ )/с$ < (1/2) УРО. Здесь К - постоянна"• ‘ “ и активным каналом ня легирования; Сл.о-емкость между Р напряжение от ц„-эффективная подвижность носите. ‘ ’ода затвора. Емкость сечки затвор - исток: у -потенциал пол р исток вне области канала затвор подложка, затвор-сток или затв р НЫМИ; а паразитны а также емкость выводов затвора являю с
каналаканалами емкостями и должны быть минимизированыдлины
канала
канала
Из уравнений (14.8) и (14.9) или (14.10) для да и напряжения над порогом получаем
(14.11)(14.11)£„ = COnSl/^ = const/v СА. о •
(14.11)
(14.11)
Данные табл. 14.2 согласуются с первым равенством в формуле (14.11), но не согласуются со вторым, прежде всего потому, что значения емкости затвора для многих плоскостных контактных транзисторов включают в качестве существенной составляющей паразитную емкость обратная сторона затвора-подложка. Транзистор 2N4417 представляет в этом смысле исключение, поскольку сочетает малую емкость и низкий уровень шума, по-видимому потому, что в его конструкции паразитная емкость между обратной стороной затвора и подложкой мала.
При разработке полевого транзистора для использования в предусилителе нужно стараться минимизировать величину
I, = 7(8/3) ir2 (G + С, + CGAV^JCG, .(14.12)
Уравнение (14.12) получено из выражений (14.7) и (14.11). Это означает, что нужно сводить к минимуму (Ск + Cw + Cqa^/Cga, для чего требуется. чтобы выполнялось равенство CGA = CR + CW) где CGA-«активная» емкость затвора, связанная с активной областью канала, a Cw- паразитная емкость затвора.
Для выбора контактного транзистора из набора стандартных устройств (поскольку изготовители не указывают отдельно «активную» часть емкости), необходимо сбалансировать е„ с общей входной емкостью транзистора CG таким образом, чтобы минимизировать 1„;
(14.13)(14.13)/„ = V<8/3)u2(Q + Сж + С^МУ
(14.13)
(14.13)
В качестве примера рассмотрим видикон с дюймовой трубкой, смонтированный со своим комплектом катушек и имеющий емкость С R = = 10 пФ и Cw = 3 пФ. Таким образом, выбирая транзистор, нужно свести к минимуму величину (13 + Сс)е„. Согласно табл. 14.2. этому условию удовлетворяют транзистор 2N4392 или 2N4417 либо соединенные параллельно два транзистора 2N4417. При данных значениях параметров лучше всего использовать в качестве входного каскада два параллельно соединенных транзистора 2N4417.
Еще один параметр, определяющий шум усилителя,- ширина полосы видеочастот. Если условия применения позволяют сузить полосу, то это сужение уменьшает шумовой ток, но уменьшится также и разрешающая способность в направлении сканирования, если только частоты сканирования не уменьшить пропорционально. В табл. 14.3 приведены значения шумового тока в зависимости от ширины полосы видеочастот для элементов схемы, использованных в приведенном выше примере. В этой таблице приведен также шум усилителя qn, выраженный как среднеквадратичная флуктуация заряда, определяемого числом электронов, в расчете на выборку теплового шума Найквиста и отнесенный ко входу усилителя. Экспозиция за время кадра должна быть такой, чтобы на сканируемой поверхности мишени при выборке Найквиста образовались
ДЛ- Гц /„-А
104
105
Ю6
4,5-106
107
1.29-10"13
4,09- 10"12
1,29- IO"10
1.23- I0"9
4,09-10"9
qw, электрон
40,3
128
403
854
1280
Таблица 143. Зависимость шумового тока
видеочастот при следующих условиях- С =от ширины полосы
= 21 пФ для двух соединенных параллельно + Сс = (|° + 3 + 8) пФ = £„=12-10 В/Гц ; Rl достаточно велико, так что Гранзисг°РОв 2N4417;
I = ./(8/3)л2С^е2дЛ иVn = (J /с) ^3) кТ^г^
носители в количестве, обеспечивающем сигнал, равный шуму усилителя. Однако такой подход в принципе годится лишь для крупномасштабных полностью разрешаемых деталей изображения. Для изображений точки сигнал расплывается на несколько выборок Найквиста и сигнальный заряд в каждой выборке может равняться шумовой флуктуации. Данные табл. 14.3 показывают, что для принятого для вещательного телевидения США стандарта сканирования в хорошо спроектированных системах 1„ составляет 1-2 нА, а ^„-величина порядка 1000 электронов на выборку шума Найквиста.
Расчет предварительного видеоусилителя - операционный входной усилитель тока
Операционный усилитель этого типа (рис. 14.9) снижает эффективную низкочастотную нагрузку видикона RL до величины L, включенной параллельно с ЗДС + 1). Таким образом, при расчете усилителя входной емкостной проводимостью на землю обычно можно преие реч , и усилитель будет иметь приблизительно плоскую характерного у всему спектру видеочастот, так что последующее усиление с частотной характеристики к верхним частотам не нужн . у характеристика входного транзистора имеет польем к верх 1 там. и уравнение для эквивалентной спектральной Н-™™ кччсси- шума на входе в основном такое же. как уравнение ( .кэска-
ческого предусилителя без частотной коррекции с nQ^iy Полная дом, обеспечивающим подъем усиления к высоким а *_ а шумовая характеристика входного операционного пре>_ ия
обычно несколько хуже, чем у классического у^и^ п и ЙКвнста’ описанного в разделе 14.4.2, из-за вклада шума Дж вносимого сопротивлением RK.„обеспечи-
Резистор, обозначенный на рис. 14.9 —^
вает теперь ток смещения для видикона типичиос значение RL применительно к вещательному телевиден.. . коэффициента
составляет 10‘ Ом. На низкой частоте типичное значение
усиления G инверсного операционно! у пействует приблизи- контуру составляет несколько сотен, и усилитель действует, пр
тельно поддерживая затвор первого транзистора как бы под потенциалом «земли». Для стабильности фазовый сдвиг в цепи обратной связи должен поддерживаться малым, и усилитель часто рассчитывают с одним каскадом без частотной коррекции, имеющем большой коэффициент усиления (рис. 14.10). Коэффициент усиления О' усилителя по разомкнутому контуру изменяется по закону G = G„/(l + у<отл). В области за угловой частотой Jc полосы видеочастот коэффициент усиления G спадает на 6 дБ октава и. Коэффициент усиления усилителя по замкнутому контуру выражается как передаточный импеданс ZT = V// Для схемы, приведенной на рис. 14.9, передаточный импеданс может быть рассчитан, как для двухполюсника:
Т —Т —-Ry
Т —
Т —
1 4- jwRF I CF +1 4- jwRF I CF +(|414)
1 4- jwRF I CF +
1 4- jwRF I CF +
Go RpG0)Go
Здесь ! R, = I /RL + 1/Rr. а в знаменателе член Rr/RPA » l, и им можно пренебречь. В результате уравнение (14.14) приводится к виду
z -
Т l+jbto -<ю2’(14.15)
vaea = ^l±£^lvaea = ^l±£^lМодуль передаточного импеданса[2r|=^fVO - a®2)2 +Модуль передаточного импеданса[2r|=^fVO - a®2)2 +СрЛ--^— Go равенRfСрЛ--^— Go равенRfFFТл рСго.Тл рСго.2 — 2a) co2 + a2 to*2 — 2a) co2 + a2 to*(14.16)(14.16)
vaea = ^l±£^l
vaea = ^l±£^l
Модуль передаточного импеданса
[2r|=^f
VO - a®2)2 +
Модуль передаточного импеданса
[2r|=^f
VO - a®2)2 +
СрЛ--^— Go равен
Rf
СрЛ--^— Go равен
Rf
F
F
Тл рСго.
Тл рСго.
2 — 2a) co2 + a2 to*
2 — 2a) co2 + a2 to*
(14.16)
(14.16)
fiy6bm” частотной характеристики условие Ь2 > 2а, причем в этпмЫТЬ 0Трицательным' если выполняется равенство. Этого можно добиткгяУСЛ°ВИИ пРеАП0Чтительным является ния, шунтирующей сопоптип пУтем добавления к емкости рассея- 0,3 пф^в тип” ~" кратной связи Rf и составляющей обратной связи CF. Ниже пп1Шече^ВаЮЩеИ ширину полосы емкости элементов схем на рис. 14 9 и?14 in ™nH4Hbie зиачения параметров полосы видеочастот 4-106 Г„- р Ри номинальном значении ширины = 1.8 Ю-^ ф. С = 152 г б10 п°М’ ^ = 2,1.10'“ Ф, CF = = 2,9110*Ом, °д =Ц)мСм ’ и % с*^=М06Ом. Отсюда RP = - 1,42-10-15 с2, Ь = 5,75-10'8 с и >ФФ 51,2’Ю3Ом. Тогда а =
r4 (14.17)r4 (14.17).+ ,А -" ТТТтет^г:
r4 (14.17)
r4 (14.17)
" То сеть пр„ умены,,е„и„ частоты вдвое. При_«. ред.
Рис. 14.1 L Зависимость модуля передаточного импеданса |Zr| от частоты/для операционного усилителя в токовом режиме на входе.
График этого уравнения приведен на рис. 14.11.
Шумовые характеристики рассчитываются путем представления шума первого полевого транзистора генератором напряжения, включенным последовательно с затвором. Таким образом, сам затвор, находящийся как бы под потенциалом «земли», и является математической моделью, позволяющей определить равное по величине, но противоположное по знаку напряжение на выходе усилителя на низких частотах, причем вход усилителя является по существу разомкнутым контуром, т.е. RL» Rf. На высоких частотах, когда шунтирующее действие реактивной проводимости емкости Cs становится существенным, напряжение шума на выходе приблизительно равно (1 -v^RfCsV 2е„, а эквивалентное по входу среднеквадратичное значение шумового тока выражается приближенной формулой
V \ А р А р/Э
(14.18)(14.18)которая аналогична уравнению (14.6) для классического усилителя с той лишь разницей. что сопротивление RL заменено на RP = Rl^fK^l + ^fY Поскольку Rf обычно ограничено величиной 5*104Ом, вклад первого члена (те. джонсонова шума) как правило, нельзя сделать пренебрежимо малым в этой схеме.
(14.18)
(14.18)
Операционный усилитель нормально работает, когда шумы, связанные с изменениями емкости элементов схемы и проводки, перевешивают вклад шумов Джонсона. По-прежнему шунтирующая емкость на входе предусилителя и шумовое напряжение первого транзистора определяют шумовые характеристики схемы и должны быть сведены к минимуму.
Расчет предварительного видеоусилителя цепь нагрузки видикона, скорректированная индуктивностью
Чем больше видикон, тем больше емкость его выходных электродов, 11 подъем частотной характеристики цепи нагрузки иа верхних часто ах
с помощью индуктивности может увеличить напряжение сигнала на высоких частотах еще до того, как прибавятся шумы входного каскада усиления. В некоторых ранних работах фирмой RCA применялась параллельная ВЧ-коррекция, а давшая хороший результат последовательная ВЧ-коррекция индуктивности была реализована Персивалем [I] и описана Джеймсом [2]. П-образная схема Персиваля-Джеймса разделяет шунтирующие емкости на составляющие; при этом «катушка Персиваля» помещается между CR и С|Г + Сс и резонанс приходится на частоту, составляющую примерно 85% верхней граничной видеочастоты. Согласно Джеймсу, имеем для схемы, показанной на рис. 14.12 соотношения
G = G + (Cw + CG), Л = (С„. + CG)/CS, b = ^Jft> (14.19) где Д£,-ширина полосы видеочастот;/г-резонансная частота для L и Cw + CG и Ст. соединенных последовательно: X = 1/(2hx/LC(1 - а\а\ По опубликованным данным оптимальные результаты получаются, когда RL велико и b = У?/5. Импеданс цепи нагрузки видикона меняется
^^Д~^ ™«~я коррекция.
примерно гак, как показано на рис. 14.12. Чтобы получить плоскую характеристику по всему частотному диапазону, в последнем каскаде усилителя наряду с обычной АС-коррекцией для подъема верхних частот используют последовательный узкополосный режскторный LC-фильтр (рис. 14.12)- С гаким фильтром уравнение для шумового тока принимает вид
i / ALT Е2 \4*
!,=+ АЛа + з^С^Зр,(14,20)
lb1b4 _1lb2 b4
где а = 1 —Н т-^ р - — + —, и = 1/3, b = J7/5. Эти соотно- 5а357v
шения были проверены и оказались справедливыми при измерении шумов на выходе предусилителя с полевым транзистором с р — //-переходом на входе при следующих значениях параметров: CR = 30 пФ, С)Г + Сс=15пФ, ДУГ = 7-106 Гц. е„= 1,2-10’9 В Гц"1'2, а =1,728, Р = 0,0533, Rl = 105 Ом. При этом /я = 210 9 А по сравнению с 3,7 10"9 А без П-образной схемы. Расчетные значения составили соответственно 2,01 и 3,78 нА. Результаты проверки свидетельствуют, что П-образная схема на самом деле делает немного большим член, описывающий джонсонов шум, и для оптимальной характеристики требуется даже большая резистивная нагрузка, но одновременно эта схема сильно снижает член, описывающий шум усилителя, за счет уменьшения эффективной емкости.
Другие примеры дают коэффициент улучшения от 1/х/2 до 1/2; заметное улучшение бесспорно обеспечит высокое значение Cs при соответствующем выборе передающей трубки. Однако в обычном телевидении частотную коррекцию для подъема к верхним частотам применяют редко, потому что требуется индивидуальная подгонка при замене элементов как в корригирующем, так и в режекторном фильтре, а также ввиду того, что речь идет об уменьшении шумов на верхних частотах, где зрение наблюдателя хорошо переносит шумы. Более плодотворно применение этой техники в аппаратуре с автоматически регулируемым выходом. Примером может служить система, в которой пороговая схема пропускает сигналы в память компьютера и наблюдатель уже не является звеном аналоговой цепи. Человеческие факторы уже не входят в этом случае в ряд критериев, используемых при проектировании, и использование последовательной или параллельной коррекции верхних частот дает существенное улучшение характеристик.
ТИПЫ ВИДИКОНОВ
Видиконы на основе матрицы кремниевых фотодиодов °
На базе матрицы кремниевых фотодиодов может быть построена фоточувствительная и обеспечивающая накопление зарядов мишень из полупроводникового материала с низким удельным сопротивлением и шириной запрещенной зоны 1,1 эВ и чувствительная к излучению в ближней инфракрасной области спектра. Мишень формируется из монокристаллической кремниевой пластины кремния zz-типа с удельным сопротивлением приблизительно 10 Ом см. На одной стороне мишени (рис. 14.13) формируется мозаичная структура из островков р +-материала. обычно путем диффузии бора через оксидную маску или методом эпитаксиального выращивания. Получившиеся диоды оказываются обратно смешенными при сканировании их пучком медленных электронов. Положительное относительно катода электронной пушки смещение пластины л-типа составляет 5 или 10 В, так что в темноте каждый диод имеет примерно такое же обратное смещение VR. Поток фотонов в изображении сфокусирован на обратную сторону мишени, толщина которой обычно всего лишь 10-15 мкм. Свет поглощается в кремнии н-тила. что вызывает генерацию пар носителей. Многие из генерированных светом дырок диффундируют в близлежащую обедненную зону проходят через переход и собираются на р*-островках. частично ком- ншйгТ„Я ИХ °6ратное решение. Положительный заряд, накапливаю- „ “ ™ п ТЗК0М островке за вРемя хадра. с высокой степенью Лотам и РиИ°НаЛеН “HTerpaJ1-v по времени от плотности потока фотонов в соответствующей части изображения
ся двумТнеж^г Т°М ВИДС' ° -аК°М °НН опиеаны выше- характеризуют- ие изгото™^ особенностями. Во-первых, в диодной матри- через оксидную мя™ м нанесения Р -островков методом диффузии больше чем плошаплощадь оксиД»Ь1х участков может оказаться ча"т"и только небольшая
нал Большое копиирг-г Д Р 'ОСТРОВКИ’ генерируя видеосиг- оксидные участки заряжая го от—Т^ буДОТ П°ПаДаТЬ На тенциал поверхности ми input ' Рицагельно, пока отрицательный по- все электроТ^ка”^^ ^ Д0Статот»“М. чтобы отражались пленка та оставаться РИ ЭТ°М ПСреСТаеТ работать' °™идная ность кремния по всей обед« ^
попадания электронов nvm™ о 3°Не* dK 1 ^я предотвращения островками. Первым реа тазованнымТ^™" МСЖДУ Д'^ФУЗионными ™»-м было использ^ание «™Ив^п КОНСТРУК™НЫМ- ре- —_резисгивно! о моря» (рис. 14.13) - тонкого
нами. н"«Ч=^тоТр^™па называются кремнию-
оудем употреблять этот термин. Прим. ре».
Падающее излучение, формирующее изображениеПадающее излучение, формирующее изображение180 мкм180 мкм2 -*2 -*557676Электрон развертки Положительные заряды р* Островки отраидтелъ- ного зарядаЭлектрон развертки Положительные заряды р* Островки отраидтелъ- ного зарядаРис. 14.13. Мишень из матрицы кремниевых фотодиодов.Рис. 14.13. Мишень из матрицы кремниевых фотодиодов.
Падающее излучение, формирующее изображение
Падающее излучение, формирующее изображение
180 мкм
180 мкм
2 -*
2 -*
5
5
7
6
7
6
Электрон развертки Положительные заряды р* Островки отраидтелъ- ного заряда
Электрон развертки Положительные заряды р* Островки отраидтелъ- ного заряда
Рис. 14.13. Мишень из матрицы кремниевых фотодиодов.
Рис. 14.13. Мишень из матрицы кремниевых фотодиодов.
Накопление зарядового изображения происходит в емкости обедненной зоны каждого обратно смещенного диода, /-кремниевая пластина л-тина; 2-п +-легирование вблизи этой поверхности; 3-на этом участке пластина тонкая (до 15 мкм): 4- вывод от мишени для выходного видеосигнала; 5-сплошной резистивный слой; 6-двуокись кремния; 7 сформированный р *-диффузией диод.
слоя материала с высоким удельным сопротивлением (например, Sb2S3), нанесенного на всю поверхность мишени методом испарения в вакууме и контактирующего с /?+-участкам и. Эта тонкая резистивная пленка обеспечивает надлежащую проводимость в боковом направлении по всей поверхности окиси, так что электроны, осаждающиеся в любом месте мишени, проходят за время кадра к близлежащему диоду. После считывания вся сканируемая поверхность мишени приводится приблизительно к потенциалу катода электронной пушки. Таким образом устраняется паразитный блуждающий заряд оксидной поверхности, и к тому же весь сканирующий пучок может давать электроны сигнала, что дает эффективность использования поверхности мишени 100%.
Описанный прием с нанесением на мишень резистивной пленки применяется до сих пор, но он не идеален из-за ухудшения модуляционной передаточной функции, что связано с введением проводимости, позволяющей зарядам двигаться в поперечном направлении, а также из-за прибавления к каждому диоду последовательного сопротивления, что вносит запаздывание и может вызвать явление усталости. Другой способ решения проблемы заключается в предварительном вытравли-
вчини отверстий в маске, а затем в эпитаксиальном выращивании Л-структуры через отверстия вместо формирования ее методом диффузии бора Эпитаксиальное выращивание продолжаю t до тех пор, пока выпуклости («шишки») кремния не покроют поверхность окиси почти полностью, в связи с чем при сканировании электронным пучком процесс считывания уже не будет прерываться из-за заряжания поверхности окиси. В другом методе кремниевая мезаструктура формируется с нанесением окиси во впадины. Бор наносится диффузией на возвышения. а затем на поверхность наносится пленка золота, которая практически полностью покрывает окись. В такой структуре доля полезно наносимых на мишень электронов пучка исключительно велика благодаря низкому коэффициенту вторичной эмиссии золотого покрытия на возвышениях. Покрытие из материала с большим атомным номером служит также хорошей защитой кремниевой поверхности от повреждения очень мягкими рентгеновскими лучами, генерируемыми в трубке, когда поверхность электродов бомбардируется электронами с энергией порядка нескольких сотен электрон-вольт.
Вторая проблема-это характеристики перегрузки мишени. Если изображение очень интенсивно излучающих источников, присутствующих в рассматриваемом сюжете, разряжает диоды за время, существенно более короткое, чем время кадра, белое пятно в воспроизведенном изображении часто выглядит во много раз большим, чем следует. Это расплывание изображения частично, конечно, зависит от функции рассеяния оптической системы, а также от подрезания пиков сигнала в мишени. Однако, даже если устранены другие эффекты, остается аномально большое поперечное растекание носителей заряда в самой мишени, объясняющееся эффектом Уэбстера. Это значит, что в течение времени кадра каждый полностью разряженный диод является источником дырок, распространяющихся от его края, так что в процессе диффузии носители должны преодолеть только относительно узкие участки между р*-островками.
Методы уменьшения эффектов расплывания изображения включают изготовление более тонкой мишени и такой обработки ее первой поверхности, которая позволяет получить контролируемую, отличную от нуля скорость поверхностной рекомбинации, что дает возможность почти полностью исключить поперечную диффузию электронов. Очевидно, это можно сделать лишь ценой некоторой потери чувствительности. Второй подход-допустить линейную р*-диффузию после каждого Ряда диодов н использовать ее для стока избыточных дырок, то эффективно подавляет расплывание, но приводит к грубой мозаичной структуре, которая может помешать восприятию мелких деталей чня^ИтИ°ННОГ° изо$Ражения- Вариации в длине диффузии могут вы- уме^ыпЛ^ Паразитныи сигнал затенения изображения. Третий способ ^"^«ярасп-зьшания-применение меза-мишени фирмы «Вестин- у ким травлением и металлическим покрытием выступающе-
го рельефа. Такая мишень обеспечивает
плывания, потому что переходы подняты нт R НОС Уменьшение рас-туры, и избыточные дырки, чтобы Тосз ич^о ”меза-струк-
диффундировать вниз через дно впадинДиода, должны
Характеристики типичных кремниконов показаны на рис. 14.14-
14.19.
Спектральная чувс гвит ельность. Спектральные характеристики чувствительности. показанные на рис. 14.14, шире, чем у большинства передающих телевизионных трубок и простираются в ближнюю инфракрасную область до длины волны 1,1 мкм. На длине волны 1,06 мкм чувствительность равна 70 mA/Вт. На длинах волн короче 500 нм чувствительность спадает, потому что большая часть фотонов в этой спектральной области отражается от первой кремниевой поверхности и потому что фотоны, прошедшие в кремний, сильно поглощаются, генерируя вблизи первой поверхности пары носителей. Для генерированных вблизи поверхности дырок вероятность захвата локализованными поверхностными уровнями и рекомбинации выше. Чтобы свести , обычно применяется нанесение на по- л ее
к минимуму рекомбинацию,
верхность дополнительных донорных атомов для преобразования
II
10
« .Со
3
ОДО 500 600 700 800 90010001100 TzOO
Длина волны, нм а
К
^ Юг
Д 1000
I I
Рис. 14.14. Спектральные характеристики чувствительности и квантовый выход.
°-КСА 4532 и 4833; o-Amperex SI200; e Westinghouse WX-32834.
ТОО 70 50
30
20
10 7
5
i
700 Ь
500
300
200
100 V! Чувствительность 70
50
,।- -111^
ОДО 500 600 100 800 900 ЮО01100
Длина волны, нм
1000\
<
g 100
’№Г^Пб51т6«г™
Длина волны, нм
8
В поверхность типа п*. В результате образующееся поле отталкивает фотогенерированные дырки от поверхности к диодам. Однако точный контроль процесса легирования затруднителен, а немного более низкая, чем нужно, плотность доноров будет приводить к тому, что какая-то часть дырок, ускоряясь к поверхности, будет ее нейтрализовать. Кривые спектральной чувствительности на рис. 14.14 показывают, что мишень с просветляющим покрытием может иметь квантовый выход 70% и выше в широком спектральном диапазоне: максимум квантового выхода при этом составляет около 80%.
Спад чувствительности в ближней инфракрасной области за 850 нм связан с увеличением прозрачности кремния близ края полосы поглощения, который приходится примерно на длину волны 1,13 мкм. Близ края полосы поглощения многие фотоны проходят через мишень без поглощения. Инфракрасную чувствительность, конечно, можно увеличить, применяя более толстые мишени, однако за это приходится платить уменьшением чувствительности в видимой области спектра и ухудшением МПФ.
Разрешающая способность. Мерой разрешающей способности крем- никонов являются кривые их реакции на прямоугольную волну, показанные на рис. 14.15 (так называемые апертурные характеристики). По этим характеристикам может быть рассчитана МПФ (рис. 14.16). При освещении вольфрамовой лампой накаливания с цветовой температурой 2856 К (стандартный источник А) со светофильтром KG-3, отсекающим
а - RCA 4532. Освещенность от лампы с цветовой температурой 2856 К с фильтром отсекающим инфракрасное излучение от 5.5 мкм. Сканируемая площадь изображения 12.6 х 9,6 мм2; сигнал от самого яркого места изображения 300 нА; потенциал мишени 8 о. тест-объект RCA 1*200. 6-RCA 48 3 3. Освещенность от лампы с цветовой температурой 2856 К с фильтром КЧЗ-З. Сканируемая площадь изображения 8,8 х 6.6 мм2, развертка стандарт США (CCIR «М»>; сигнал от самого яркого места изображения 150 нА; потенциал мишени 8 В; тест-объект RCA Р200.
Число ТВ-строк на высоту картиныЧисло ТВ-строк на высоту картины।।1—J1111।
Число ТВ-строк на высоту картины
Число ТВ-строк на высоту картины
s,zi ш>г «.аз газз2№ зш
Пространственная частота, истр/мм
Рис. 14.15 1 продолжение)e-Ampercx SI200. Освещенность от лампы с цветовой температурой 2870 К с фильтром KG-3 толщиной 4 мм. Сканируемая площадь изображения 12,8 х 9,6 мм2, потенциал мишени 8 В; ток пучка стабилизирован при 500 нА; ток сигнала при 50 ТВ-строках 200 нА; тест-объект Westinghouse ЕТ1332А. г-Westinghouse WX-32834.Рис. 14.15 1 продолжение)e-Ampercx SI200. Освещенность от лампы с цветовой температурой 2870 К с фильтром KG-3 толщиной 4 мм. Сканируемая площадь изображения 12,8 х 9,6 мм2, потенциал мишени 8 В; ток пучка стабилизирован при 500 нА; ток сигнала при 50 ТВ-строках 200 нА; тест-объект Westinghouse ЕТ1332А. г-Westinghouse WX-32834.большую часть излучения в области длин волн за 720 нм, апертурная характеристика спадает до 50% примерно при 16 штр/мм. Эта величина приблизительно одинакова для трубок с диаметром мишени как 11, так и 16 мм.
Рис. 14.15 1 продолжение)
e-Ampercx SI200. Освещенность от лампы с цветовой температурой 2870 К с фильтром KG-3 толщиной 4 мм. Сканируемая площадь изображения 12,8 х 9,6 мм2, потенциал мишени 8 В; ток пучка стабилизирован при 500 нА; ток сигнала при 50 ТВ-строках 200 нА; тест-объект Westinghouse ЕТ1332А. г-Westinghouse WX-32834.
Рис. 14.15 1 продолжение)
e-Ampercx SI200. Освещенность от лампы с цветовой температурой 2870 К с фильтром KG-3 толщиной 4 мм. Сканируемая площадь изображения 12,8 х 9,6 мм2, потенциал мишени 8 В; ток пучка стабилизирован при 500 нА; ток сигнала при 50 ТВ-строках 200 нА; тест-объект Westinghouse ЕТ1332А. г-Westinghouse WX-32834.
В работе [3] была проанализирована разрешающая способность мишеней кремниконов как определяемая поперечной диффузией дырок в толще я+-кремния перед тем как они достигают обедненной зоны и осуществляется их сбор. Полученные результаты хорошо согласуются сданными измерений (рис. 14.16). Это показывает, что МПФ в экспериментах [3] определялась скорее диффузией носителей, чем диаметром сканирующего электронного пучка. При анализе, проведенном в работе [3], принималось, что толщина структуры 15 мкм, глубина обедненной зоны 5 мкм, скорость рекомбинации на первой поверхности-величина порядка 105 см/с и диффузионная длина 47,5 мкм. Как резулы а гы анализа, так и экспериментальные данные [3] свидетельствуют, что разрешающая способность может быть увеличена при уменьшении толщины мишени с 15 до 10 мкм, но ценой снижения чувствительности в ближней инфракрасной области.
Пространственная частота, штр^ммПространственная частота, штр^ммРис. 14.16. Измеренные и расчетные значения МПФ передающей телевизионной трубки с матрицей фотодиодов кремникона в зависимости от пространственной частоты [3].
Пространственная частота, штр^мм
Пространственная частота, штр^мм
Длина волны оптического сигнала 0,55 мкм. х -экспериментальные данные.
Облученность на модном окне от волфрамовой. лампы с Тц =2856К, 8т[м‘Облученность на модном окне от волфрамовой. лампы с Тц =2856К, 8т[м‘Рис. 14.17. Световая характеристика.
Облученность на модном окне от волфрамовой. лампы с Тц =2856К, 8т[м‘
Облученность на модном окне от волфрамовой. лампы с Тц =2856К, 8т[м‘
Световые характеристики всех кремни- копов линейны. На рисунке изображены характеристики трубки RCA 4532. Сканируемая площадь 12,8 х 9,8 мм2; температура входного окна 30 С; потенциал мишени 8 В. / облученность на входном окне трубки: 2 - облученность на фильтре Шотта KG-3.
Световые характеристики (характеристики передачи сигнала). Поскольку практически все фотогенерированные дырки диффундируют к диодам и собираются ими. световая характеристика свет-сигнал (рис. 14.17) линейна. Это свойство линейности используется при применении кремниконов для решения фотометрических или радиометрических задач либо при обработке сигнала кремникона по определенным алгоритмам. Чувствительность к свету вольфрамовой лампы накаливания с цветовой температурой 2856 К равна примерно 80 мА/Вт.
Инерционность (запаздывание сигнала изображения). В мишени кремникона нет центров захвата фогогенерированных носителей, поэтому эффект «фоторезистивного» запаздывания не наблюдается. Существует некоторая инерционность изображения, связанная с динамическим импедансом сканирующего электронного пучка и накопительной емкостью мишени, как и во всех других видиконах. Этот механизм был описан в разд. 14.3.1. Эффективная накопительная емкость для типичной активной площади ячейки мишени 0,95 х 1,27 мкм2 составляет примерно 2.4-10"9Ф при обратном смещении диода около 10 В. При таком смещении и на высоких уровнях сигнала после полного считывания остается примерно 10% заряда изображения. На низких уровнях сигнала эта доля больше.
Данные об инерционности, публикуемые в таком виде, как на рис. 14.18, могут иногда ввести в заблуждение. Хотя изготовители изображают плавный ход кривой инерционности сигнала изображения от времени, только точки в начале каждого полукадра после прерывания освещения точны. При прерывании освещения данные берутся или во время обратного хода по вертикали непосредственно перед началом первого полукадра развертки, или во время развертки, когда пучок проходит строку примерно в центре изображения. Первая точка, просканированная после прерывания, экспонировалась в течение полного времени полукадра, прошедшего после предыдущего сканирования, и дает амплитуду сигнала. Каждая точка после первой экспонировалась немного меньше (на 63.5 мкс на строку), и сигнал в начальном, или «нулевом», полукадре (от 0 до 16,7 мс) будет спадать со временем примерно линейно, т. е. в соответствии с линейной зависимостью от номера строки, просто потому, что короче экспозиция, а не из-за
IIУ SУ S100 г^180 \706050 ад\зогою100 г^180 \706050 ад\зогоюНачальный ток сигнала25 нА/50 нА ///00 нЬ \У/.200нК v<x. / ,300 нАНачальный ток сигнала25 нА/50 нА ///00 нЬ \У/.200нК v<x. / ,300 нАхх'х,Xхх'х,XXX-X-X^16,7 33,3 5066,7 83,3 10011-й поли- (3-й полу- (5-й полу-кадр) кадр) . кадр)»UT V WВремя после прекращения освещения,^16,7 33,3 5066,7 83,3 10011-й поли- (3-й полу- (5-й полу-кадр) кадр) . кадр)»UT V WВремя после прекращения освещения,вв14.18. Инерционность изображения.14.18. Инерционность изображения.Рис. ЧемРис. Чем. больше произведение сопротивления пучка «а -«акопитмьную емк^ больше инерционность и ниже уровни сигнала, a - RCA 4833. ^каНИРу о о. ток снгиала жения 8 8 x 66 ММ2 • темпепятуоа входного окна ~ 30 С; потенциал мишени 8 В, ток сигнала <»А) для криХх “ : Те Р?а С ГК is" 6-RCA 4532. Санируемая площадь. изобра; «пия 12.8Рх 9.6 мм=; темпера гура «ходкого оана ~ 30 С котснцищ.
I
I
У S
У S
100 г
^1
80 \
70
60
50 ад\
зо
го
ю
100 г
^1
80 \
70
60
50 ад\
зо
го
ю
Начальный ток сигнала
25 нА
/50 нА ///00 нЬ \У/.200нК v<x. / ,300 нА
Начальный ток сигнала
25 нА
/50 нА ///00 нЬ \У/.200нК v<x. / ,300 нА
х
х'
х,
X
х
х'
х,
X
X
X
-X
-X
^16,7 33,3 5066,7 83,3 100
11-й поли- (3-й полу- (5-й полу-
кадр) кадр) . кадр)
»UT V W
Время после прекращения освещения,
^16,7 33,3 5066,7 83,3 100
11-й поли- (3-й полу- (5-й полу-
кадр) кадр) . кадр)
»UT V W
Время после прекращения освещения,
в
в
14.18. Инерционность изображения.
14.18. Инерционность изображения.
Рис. Чем
Рис. Чем
сигнальный ток (нА) ппя коивых: Л-25. 6-50, С 100, D 200. £ 500. в -лтрегея Инерционность в зависимости от сигнала для бедующих условш^потенц^л^ ток пучка стабилизирован при 500 нА, темновой ток 10 нА. . Westmgh
какого-то механизма «запаздывания». Сигнал «первого» полукадра (от 16,7 до 33 мс) будет также спадать примерно линейно в зависимости от времени и номера строки, но соотношение между сигналами «нулевого» и «первого» полукадров неопределенное, потому что диаметр пучка больше, чем расстояние между строками, и при сканировании строк, имеющих четный номер, удаляется существенная часть заряда и с участков, соответствующих нечетным строкам. Зависимость сигнала от номера сканируемых строк не вполне линейна, так как эффективный импеданс
пучка возрастает, когда сигнал уменьшается; следовательно, при меньших зарядах остающаяся после считывания часть заряда больше.
Для систем с 60 полукадрами, 30 кадрами в секунду и чересстрочной разверткой имеет больше смысла определять инерционность как отношение сигнала по прошествии 33,3 мс, в начале второго кадра, к сигналу в нулевой момент времени и аналогично для сигналов в моменты времени 66,7 мс, 100 мс и т.д. В каждый такой момент вся мишень оказывается считанной один или несколько раз. На кривых рис. 14,18,в эти точки отмечены крестиками. Однако участки кривой между этими точками, если кривая аккуратно построена по реальным данным, также несут информацию. Между любыми двумя точками, отстоящими друг от друга на 33,3 мс. мишень считывается один раз, и отношение двух значений сигнального тока является правильной мерой инерционного спада сигнального тока изображения по отношению к более раннему значению тока. В этом можно убедиться, построив семейство кривых для видикона RCA 4532 (рис. 14.18,6) в виде единой кривой зависимости сигнального тока от времени, для чего нужно сдвинуть кривые по оси абсцисс так, чтобы согласовывались ординаты. Получившаяся общая кривая показана на рис. 14.19. Для любого начального уровня сигнала в диапазоне хода кривой значение сигнала по прошествии полного кадра можно найти путем смещения на 33.3 мс вправо. Эта кривая показывает, как возрастает эффективный импеданс пучка по мере падения сигнала и потенциала поверхности. Требуется время одного кадра, чтобы сигнальный ток снизился от 200 до 100 нА, и трех кадров, чтобы ток уменьшился от 5 до 2,5 нА. Ясно, что спад не экспоненциальный.
Эта кривая описывает инерционность и меньшего по размеру крем-
Рис. 14.19. Единая кривая зависимости сигнального тока от времени для трубки RCA 4532.
Данные взяты с рис. 14.18.6. Сплошные линии соответствуют кривой Е; / кривой D; 2 кривой С; 3 кривой В; 4 кривой А.
никона типа 4833, если сигнальный ток удвоить, те. изменить масштаб в соответствии с соотношением площадей изображений.
Отметим, что на практике передающие телевизионные трубки характеризуются по инерционности одним параметром-спадом тока в конке третьего полу кадра. В паспортные данные вносится этот параметр, измеренный через 50 мс после прерывания освещения, когда мишень просканирована считывающим лучом полтора раза. Интерпретация этого параметра затруднительна; он используется только для сравнения трубок с аналогичными характеристиками.
Рабочие температуры. Обычно диапазон рабочих температур составляет -54 до +70 С. Однако максимальная рабочая температура для кремникона устанавливается по допустимому уровню темнового тока. Типичные значения темнового тока при температуре передней поверхности мишени 25 С составляют 3-6 мА, удваиваясь при росте температуры на каждые 8... 10 С. Поскольку максимально допустимый ток сигнала, определяемый нижним предельным уровнем температуры, уменьшается при увеличении темнового тока, во время работы, например, при температуре 65 С темновой ток может составить 190 нА, и максимальный ток сигнала уменьшится от типичного значения 750 нА до 560 нА, т.е. весьма значительно.
Допустимый уровень минимальных рабочих температур устанавливается для трубок с тонким резистивным покрытием, исходя из условий, когда сопротивление покрытия становится слишком большим, что приводит к недопустимо высокой инерционности, а, возможно, и к нежелательным эффектам заряжания поверхности. Этих особенностей для установления предела по температуре не существует для трубок с мишенями эпитаксиальной структуры или глубоко протравленной мезоструктуры с металлическим покрытием возвышений.
Плюмбиконы (Plumbicon)
Типичная мишень плюмбикона изготавливается из по^^щенной ческой красной тетрагональной окиси свинца с i Р поглощения зоны 1.9 эВ, что соответствует длине на 650 нм. Слой формируется испарением чер н^сенным прозрачным стеклянную подложку с предварительно * Тпибки особенности электропроводящим покрытием из окиси оло^Р^ ’дИцИОнными работы которых весьма похожи на Ра^ту ^ и темН0вым током, мишенями из Sb2S3, характеризуются токо (рис. |4.20). Свето- насыщающимися при низком напряжении . п от напряжения вая характеристика практически линейна ‘. 2 нА), и хотя он смещения (рис. 14.21). Темновой ток очень ^^ с током СИ1 нала им Увеличивается с ростом температуры, по р
Рис. 14.20. Ток сигнала /$ и темновой ток Id типичного плюмби- кона в зависимости от потенциала мишени при фиксированном уровне освещения мишени.
Рис. 14.21. Зависимость сигнального тока 1$ плюмбикона XQ1020 от облученности на входном окне при Тц = 2870 К (сплошная кривая) потенциал мишени 45 В, темновой ток 1 нА.Штрихом показала прямая с тангенсом угла наклона, равным единице.Рис. 14.21. Зависимость сигнального тока 1$ плюмбикона XQ1020 от облученности на входном окне при Тц = 2870 К (сплошная кривая) потенциал мишени 45 В, темновой ток 1 нА.Штрихом показала прямая с тангенсом угла наклона, равным единице.Число полукадров36 9 R 75 18Число полукадров36 9 R 75 1805§05§О 90й 80 70 60 50 ад20л'«««К. ”„55^^Учения, мсО 90й 80 70 60 50 ад20л'«««К. ”„55^^Учения, мсZ1Z1Рис. 14.22. Характеристика инерционности плюмбикона XQ1020.Начальная облученность на входном окне 0,05 Вт/м2 при Тц = 2870 К.Рис. 14.22. Характеристика инерционности плюмбикона XQ1020.Начальная облученность на входном окне 0,05 Вт/м2 при Тц = 2870 К.Es = 0.22 Вт/м2 при Ти = 2870 К; чувствительность 8.2 мА/Вт (400 мкА/лм).
Рис. 14.21. Зависимость сигнального тока 1$ плюмбикона XQ1020 от облученности на входном окне при Тц = 2870 К (сплошная кривая) потенциал мишени 45 В, темновой ток 1 нА.
Штрихом показала прямая с тангенсом угла наклона, равным единице.
Рис. 14.21. Зависимость сигнального тока 1$ плюмбикона XQ1020 от облученности на входном окне при Тц = 2870 К (сплошная кривая) потенциал мишени 45 В, темновой ток 1 нА.
Штрихом показала прямая с тангенсом угла наклона, равным единице.
Число полукадров36 9 R 75 18
Число полукадров36 9 R 75 18
0
5§
0
5§
О 90й 80 70 60 50 ад
20
л
'«««К. ”„55^
^Учения, мс
О 90й 80 70 60 50 ад
20
л
'«««К. ”„55^
^Учения, мс
Z1
Z1
Рис. 14.22. Характеристика инерционности плюмбикона XQ1020.
Начальная облученность на входном окне 0,05 Вт/м2 при Тц = 2870 К.
Рис. 14.22. Характеристика инерционности плюмбикона XQ1020.
Начальная облученность на входном окне 0,05 Вт/м2 при Тц = 2870 К.
можно пренебречь. Наконец, инерционность плюмбнкона очень мала (рис. 14.22), остаточный сигнал в четвертом полукадре после прерывания освещенности изображения составляет менее 5%.
Такие характеристики делают плюмбикон почти идеальной трубкой для цветной камеры на трех видиконах, и трубки этого типа доминируют в производстве для вещательного телевидения.
Свойства плюмбикона можно объяснить, если представить его мишень в виде модели, считая, что поверхность образована /?zл-диода ми (рис. 14.23). Согласно этой модели, слой близ первой поверхности окиси свинца ведет себя, как полупроводник л-типа. потому что происходит диффузия олова от слоя сигнального электрода в отдельные кристаллы окиси свинца. Кристаллиты, близкие к поверхности, сканируемой электронным пучком, становятся материалом /7-типа в результате действия газа, введенного в сосуд вслед за нанесением слоя. В итоге слой ведет себя, как полупроводник с собственной проводимостью не вследствие высокой степени кристаллической или стехиометрической чистоты, а скорее потому, что уровень Ферми фиксирован близ середины запрещенной зоны. Эта модель построена на базе особенностей микроструктуры слоя окиси свинца. Кристаллиты имеют плоскую форму, их типичные размеры (мкм) I х 1 х 0.1. Специалисты фирмы «Филипс» полагают, что, как следует из расположения уровней, показанного на рис. 14.24 (где Ef- уровень Ферми), поверхностные состояния плоских граней кристаллитов действуют как компенсирующие акцепторы, уравновешивающие донорные центры в толще каждого кристаллита, в результате чего кристаллиты ведут себя примерно как полупроводниковый материал с собственной проводимостью и высоким эффективным удельным сопротивлением. В такой структуре (рис. 14.23) большая часть приложенного к мишени напряжения смещения проявляет себя как поле, действующее на область с высоким удельным сопротивлением, близкую по свойствам к собственному полупроводнику и занимающую большую часть толщины слоя. Фотогенерированные носители быстро выносятся к поверхностям, где блокирующие контакты какой-либо природы предотвращают инжекцию носителей из сигнального электрода или элект-
Сторона развертки электронного пучка.Сторона развертки электронного пучка.
Сторона развертки электронного пучка.
Сторона развертки электронного пучка.
Рис 14.23. Упрощенная схема энергетических зон обратно смешенного рш-диода.
6г
Рис. 14.24. Схема энергетических зон окиси свинца РЬО.
а-монокристалл п-тнпа; б - поликристаллнческая структура с кристаллитами большого размера; в-толщина кристаллитов меньше удвоенной ширины барьера; г-предельный случай кристаллитов очень малого размера.
ронного пучка. Необходимое высокое поперечное сопротивление в представленной модели слоя с поверхностью p-типа обеспечивается, по-ви- димому. структурой, в которой ориентированные микропластинки должны быть в известной степени изолированы друг от друга. Эта модель приводит к характеристикам, которые действительно наблюдаются на практике.
Характеристики типичных трубок «плюмбикон» серий XQ1070 и XQI073 диаметром 25,4 мм приведены на рис. 14.25—14.28 и в табл. 14.4.
Спектральная чувствительность. Спектральная характеристика чувствительности стандартного слоя из окиси свинца (рис. 14.25) имеет граничную длину волны примерно 675 нм, т. е. в видимой области, и фактически «красная» чувствительность недостаточна, чтобы обеспечить вполне удовлетворительные характеристики в красном канале цветной телевизионной камеры с тремя или четырьмя трубками. Чтобы увеличить красную чувствительность, не изменяя других желательных характеристик плюмбиконов, инженеры фирмы «Филипс» продлили красный хвост спектральной кривой, вводя в окись свинца достаточное количество серы, так что длинноволновая граница сдвинулась вправо далее 850 нм. Спектральная характеристика чувствительности плюмби- кона XQ1073 показана на рис. 14.26. Типичное значение чувствительности при 850 нм составляет 3 mA/Вт. Хотя это значение очень мало по чтВ1/юлИЮлС и^^Н-еЛЬН0СТЪЮ кРемникона« составляющей при 850 нм мА, Вт, слой с продленной в красную область спектральной чувствительностью, полученный фирмой «Филипс», показывает, что
Таблица и 18,0 ммТаблица и 18,0 мм14 4 Характеристики трубок типа «плюмбикон» диаметром 25,4
Таблица и 18,0 мм
Таблица и 18,0 мм
Номер трубки
Характеристика—
XQ1070
XQIO73
XQI423
Плошадь картины на мишени,
12.8-9.6
12,8-9,6
8,8-6.6
мм х мм
25 4
25.4
18,0
Диаметр трубки, мм
163.0
163.0
103,0
Чувствительность (2854 К), мА/Вт Спектральная чувствительность
8
480
7
500
8
475
максимум, нм
граничная длина волны, нм
650
850-950
850 950
ЧКХ. %
40
50
25
400 ТВ-строк
960
960
500
ЕС4. В V нА
<3
^3
<3
1.5
2
2
1,5 3,0
Типичная инерционность
(60 мс)а). %
3-5
3-5
к
11 Измерения проводились с инфракрасным отсекающим фильтром Calflex Bl К1. имеющим при 700 им коэффициент пропускания 50%. Условия измерений: для трубок XQI070 и XQ1O7 3 ток сигнала 200 нА с возможностью регулировки тока пучка до 400 нА, для трубки XQ1423 соответственно 150 и 300 нА.
определенная красная чувствительность может быть обеспечена и для поликристаллической мишени с эффективной р/л-структурой. Если работы по созданию видиконов на сульфиде свинца будут продолжены, то плюмбиконы со спектральной чувствительностью, продленной в красную область, могут также помочь найти пути создания в мишени блокирующих контактов.
Разрешающая способность. Кривые реакции на прямоугольную волну ДЛЯ плюмбикона XQ1070 (рис. 14.27), показывают, что при числе теле-
Рис. 14.25. Типичная кривая спектральной чувствительности специальной мишени с высоким разрешением из окиси свинца, используемой в плюмбиконах серии XQ1070.
Рис. 14.27. Реакция на прямоугольную волну для плюмбиконов серии XQ1070.Рис. 14.27. Реакция на прямоугольную волну для плюмбиконов серии XQ1070.Условия испытаний: Ес1 = 300 В. Е<3 = 600 В. ЕсЛ = 900 В; измерения с комплектом фокусирующих катушек ATI 116 фирмы «Филипс».Условия испытаний: Ес1 = 300 В. Е<3 = 600 В. ЕсЛ = 900 В; измерения с комплектом фокусирующих катушек ATI 116 фирмы «Филипс».Глубина .модуляции, %Глубина .модуляции, %100 ~80 -80 -40-20-100 ~80 -80 -40-20-Яркость (белый свет)Яркость (белый свет)Красный светКрасный свет।tг1—।—1——i—।—1—I0 1 23 4 567 89Частота видеосигнала, МГцtil ।1।।। ii80240 400 560720160320 480640Пространственная частота, число ТВ-строк на высоту картины।tг1—।—1——i—।—1—I0 1 23 4 567 89Частота видеосигнала, МГцtil ।1।।। ii80240 400 560720160320 480640Пространственная частота, число ТВ-строк на высоту картиныiF i iiF i iwo 80wo 80Синий светЗеленый свет Яркость (белый светуСиний светЗеленый свет Яркость (белый свету4020О0 1 23456789 частота видеосигнала, МГц4020О0 1 23456789 частота видеосигнала, МГцКрасный светJ—‘—t—t—।iКрасный светJ—‘—t—t—।i80240400560720160320480640Пространственная частота, число ТВ-строк на высоту картины80240400560720160320480640Пространственная частота, число ТВ-строк на высоту картиныРис. 14.28. Реакция на прямоугольную волну для плюмбиконов серин XQIO73.Условия испытаний те же. что в случае рис. 14.27.Рис. 14.28. Реакция на прямоугольную волну для плюмбиконов серин XQIO73.Условия испытаний те же. что в случае рис. 14.27.Рис. 14.26. Типичная кривая спектральной чувствительности мишени из окисн свинца с продленной в красную область спектра чувствительностью для плюмбиконов серии XQ1073.
Рис. 14.27. Реакция на прямоугольную волну для плюмбиконов серии XQ1070.
Рис. 14.27. Реакция на прямоугольную волну для плюмбиконов серии XQ1070.
Условия испытаний: Ес1 = 300 В. Е<3 = 600 В. ЕсЛ = 900 В; измерения с комплектом фокусирующих катушек ATI 116 фирмы «Филипс».
Условия испытаний: Ес1 = 300 В. Е<3 = 600 В. ЕсЛ = 900 В; измерения с комплектом фокусирующих катушек ATI 116 фирмы «Филипс».
Глубина .модуляции, %
Глубина .модуляции, %
100 ~
80 -
80 -
40-
20-
100 ~
80 -
80 -
40-
20-
Яркость (белый свет)
Яркость (белый свет)
Красный свет
Красный свет
।tг1—।—1——i—।—1—I
0 1 23 4 567 89
Частота видеосигнала, МГц
til ।1।।। ii
80240 400 560720
160320 480640
Пространственная частота, число ТВ-строк на высоту картины
।tг1—।—1——i—।—1—I
0 1 23 4 567 89
Частота видеосигнала, МГц
til ।1।।। ii
80240 400 560720
160320 480640
Пространственная частота, число ТВ-строк на высоту картины
iF i i
iF i i
wo 80
wo 80
Синий свет
Зеленый свет Яркость (белый свету
Синий свет
Зеленый свет Яркость (белый свету
40
20
О
0 1 23456789 частота видеосигнала, МГц
40
20
О
0 1 23456789 частота видеосигнала, МГц
Красный свет
J—‘—t—t—।i
Красный свет
J—‘—t—t—।i
80240400560720
160320480640
Пространственная частота, число ТВ-строк на высоту картины
80240400560720
160320480640
Пространственная частота, число ТВ-строк на высоту картины
Рис. 14.28. Реакция на прямоугольную волну для плюмбиконов серин XQIO73.
Условия испытаний те же. что в случае рис. 14.27.
Рис. 14.28. Реакция на прямоугольную волну для плюмбиконов серин XQIO73.
Условия испытаний те же. что в случае рис. 14.27.
визионных строк 400 на высоту растра чувствительность снижается до 40%. Указанное число строк соответствует 5 МГц и 21 штр/мм. Точка 50%-ной чувствительности соответствует числу строк на высоту растра 350 и 18 штр/мм. Таким образом, разрешающая способность немного выше, чем для кремникона сравнимых размеров. Как видно из рнс. 14.28, 50%-ная чувствительность плюмбикона XQIO73 со спектральной чувствительностью, продленной в красную область, соответствует 400 телевизионным строкам на высоту растра. Разрешающая способность в сильной степени зависит от рассеяния света в зернистом фоточувствительном слое.
Инерционность. Зависимость остаточного сигнала от времени после прерывания освещения изображения для плюмбикона XQ1070 дана на рис. 14.22. По прошествии одного кадра после прерывания освещения остаточный сигнал составил около 7% начального сигнала 100 мкА. Это значительное, по сравнению с 25% для кремникона 4532, уменьшение инерционности, вероятно, связано с тем, что эффективная накопительная емкость мишени плюмбикона составляет всего 1/5 емкости мишени кремникона. Меньшая емкость и более высокое напряжение смещения мишени позволяют получить существенно больший размах напряжения сигнала па сканируемой поверхности мишени, что лучше согласуется со скоростью развертки пучка электронов.
Рабочая температура. Фирма «Филипс» указывает температурный диапазон —30... +50 °C как для работы, так и для накопления с оговоркой, что в режиме медленной развертки и накопления температура не должна превышать 30 СС. Трубки типа «плюмбикон» могут работать от 77 К в режиме медленной интеграции изображения до нескольких часов при 60 °C. Верхний предел обусловлен выделением газа из фоточувстви- тельного слоя.
Механические характеристики. Плюмбиконы серии XQ1070 по конструктивно-механическим характеристикам не отличаются от видиконов Диаметром 25,4 мм с отделенной сеткой и имеют ту же цоколевку. Фокусирующая и отклоняющая катушки должны создавать магнитные поля, обеспечивающие номинальные напряжения электродов (73 и (74. Фирма «Амперекс» рекомендует для применения с плюмбиконами серий XQ1070 и XQ1O73 комплект отклоняющих катушек ATI 116 фирмы «Филипс».
Производятся также трубки типа «плюмбикон» серии XQ1423, диаметром 18,0 мм, приспособленные благодаря своей компактности для оснащения цветной телевизионной камеры. Эти трубки в конструктив- цо-механическом отношении идентичны видиконам диаметром 18,0 мм с отделенной сеткой и имеют ту же цоколевку. Для использования с этими трубками фирма «Амперекс» рекомендует комплект отклоняющих и фокусирующих катушек ATI 105 или KV12 фирмы «Филипс».
Противоореольный диск. Все три серин трубок типа «плюмбикон». описанные в этом разделе, снабжены противоореольными дисками.
Это-стеклянные диски, прикрепленные к внешней поверхности переднего торцевого окна из боросиликатного стекла. Они предназначены для существенного увеличения оптической толщины торцевого окна и обеспечения черного светопоглощающего покрытия вокруг краев окна. Свет, случайным образом отраженный от кристаллитов внутри мишени, находящихся в оптическом контакте с окном, может, испытывая полное внутреннее отражение от внешней поверхности окна и проходя обратно к мишени, образовывать светящееся кольцо или ореол и соответствующий паразитный сигнал вокруг ярких точек изображения. Оптически толстое окно увеличивает диаметр ореола так. что он выходит за край окна; испытавшие полное внутреннее отражение лучи попадают на черное краевое покрытие и поглощаются.
Пироэлектрические видиконы (пириконы)
Конструкция типичного пироэлектрического видикона (так называемого пирикона) показана на рис. 14.29. Электронная пушка, отклоняющая и фокусирующая катушки и колба трубки такие же, как у обычного видикона. Пропускающее инфракрасное излучение торцевое окно представляет обычно прозрачный для лучей с длинами волн больше примерно 2 мкм германиевый диск, просветленный на область длин волн 8-14 мкм. Чувствительная к излучению мишень в форме диска-это монокристалл из изоляционного пироэлектрического материала (например, триглицинсульфата) с полупрозрачным электропроводящим сигнальным электродом, нанесенным испарением на переднюю поверхность мишени в непосредственной близости от входного окна. У трубки диаметром 25 мм диаметр активной площади изображения составляет 16-18 мм. а толщина мишени- примерно 30 мкм.
Чтобы получить телевизионное изображение стационарной тепловой картины с помощью пирикона, нужно промодулировать излучение
10
Рис. 14.29. Устройство типичного пирикона.
кристалла; ^'Фокусирующий'эле^^.-пироэлектрическая мишень из моио-
7 катод; Л отклоняющая система 9 н ющии электрод; 6 - управляющий электрод: «ющее область замедления электронов; 1? и ,10 - поле сетки, опредс-
’ щисвое уплотнение и присоединение мишени.
видеосигнал
Рис. 14.30. Телевизионная камера с пнриконом.
Облученность от рассматриваемой картины нужно изменять или с помощью показанного здесь модулятора, или панорамируя камерой, или путем нутации объектива. 7 - вращающийся дисковый модулятор с температурой 300 К прерывает облученность изображения синхронно с телевизионной разверткой; 2-мишень пирикона; 3 пирикои; 4 малошумящий предусилитель; 5 формирование разностей от кадра к кадру и попеременное инвертирование разностных сигналов; 6 инфракрасный объектив; 7-формируемый электронным пучком растр, отнесенный к пространству объектов; 8 поле зрения в пространстве объектов круглое, так как обычно пучок сканирует мишень с избытком по площади.
картины, потому что пироэлектрик воспринимает только изменения ее температуры. В типичной телевизионной камере, схематически показанной на рис. 14.30, вращающийся диск с вырезами прерывает излучение изображения синхронно с разверткой изображения электронным пучком, так что кадры на мишени попеременно визируют изображение рассматриваемой картины и непрозрачную лопасть диска. Если картина теплее, чем лопасть диска, мишень во время экспозиции картины нагревается, образуя соответствующий рельеф положительного заряда. Во время экспонирования лопасти диска мишень охлаждается, образуя рельеф отрицательного заряда. Это создает определенные проблемы, поскольку в нормальном режиме сканирующий пучок медленных злект- ронов считывает зарядовую картину с поверхности мишени путем нанесения электронов на поверхность и заряжает ее примерно до потенциала катода электронной пушки. Если в первом кадре считывается рельеф положительного заряда, то в следующем кадре при сообщении отрицательного заряда потенциал поверхности оказывается ниже потенциала катода и сигнала не будет. Для непрерывной работы необходимо обеспечить компенсирующий ток положительных зарядов к поверхности мишени, чтобы сбалансировать отрицательный ток электронов сигнала. Для обеспечения такого тока положительных зарядов используются три различные схемы, известные как схемы создания пьедестала.
Пьедестал на базе тока положительных иоиов газа. Компенсирующим ТОК положительных зарядов может быть обеспечен током положитель ных ионов газа. Например, в колбе трубки можег обеспечиваться
присутствие водорода низкого давления путем электрического подогрева резервуара с водородом, как это делается в водородных тиратронах, или перед отпайкой трубки от вакуумной системы в колбу может быть введен инертный газ при низком давлении. В обоих случаях некоторое количество электронов сканирующего пучка будет сталкиваться с атомами или молекулами газа, образуя положительные ионы (рис. 14.31). Поскольку на каждый участок мишени должен поступать одинаковый ионный ток, ноны из области отклонения пучка не следует использовать так как много ионов генерируется у оси трубки. Потенциал сетки, поле которой замедляет электроны у мишени, поддерживается поэтому на 10-25 В более положительным, чем потенциал фокусирующего цилиндра, так что положительные ионы ускоряются в прямо противоположном направлении, т.е. от мишени к электронной пушке. Положительные ионы, используемые для получения тока пьедестала, возникают под действием сканирующего пучка в пространстве между полем сетки и мишенью, и пучок электронов сканирует по мишени вместе с примерно постоянным по интенсивности пучком ионов, генерированных в этом пространстве. Как показывает рис. 14.31, ток ионного пучка пропорционален току сканирующего пучка и остаточному давлению газа. Геометрия генерированного ионного пучка будет одинаковой по всей трубке, если сетка параллельна поверхности мишени и траектории
1 боксирующий
О Поле сетки, *3258 meKmPod-Ж
•I
^^ Формцруюшдео^ в этап области u положительные ионы ускоряются по направлению П к поверхности * мишени поверхность^^ Формцруюшдео^ в этап области u положительные ионы ускоряются по направлению П к поверхности * мишени поверхностьт— i\3лex травный;—j пучок/т— i\3лex травный;—j пучок/- Нормирующиеся в этой области положительные ионы ускоряются в противоположном направлении - от мишени- Нормирующиеся в этой области положительные ионы ускоряются в противоположном направлении - от мишени
^^ Формцруюшдео^ в этап области u положительные ионы ускоряются по направлению П к поверхности * мишени поверхность
^^ Формцруюшдео^ в этап области u положительные ионы ускоряются по направлению П к поверхности * мишени поверхность
т— i
\3лex травный
;—j пучок
/
т— i
\3лex травный
;—j пучок
/
- Нормирующиеся в этой области положительные ионы ускоряются в противоположном направлении - от мишени
- Нормирующиеся в этой области положительные ионы ускоряются в противоположном направлении - от мишени
Рис. 14.31. Ионизация атомов остаточного газа.
В пространстве между сеткой и мишенью, где замедляются электроны, образуется ток положительных ионов, равный среднему току электронов, достигающих мишени. Медленные электроны (1) не могут достичь мишени. Более быстрые электроны (3) попадают на наиболее положительно заряженные точки поверхности мишени. Многие электроны (2) соударяются с атомами газа, в результате чего образуются положительные ионы, обеспечивая ток пьедестала. 4 - пироэлектрическая мишень; 5-сигнальный электрод, напряжение смешения —0,5 В; 6 - германиевое входное окно.
, 3I, 3Iоопучок
, 3
I
, 3
I
о
о
Ток положительных
ионов (пьедестал) /Рабочий диапазон
потенциалов поверхности
/А мишени при наличии/г' пироэлектрическихсигналов
Потенциал поверхности мишени
Рис. 14.32. Характеристика оседания на мишень электронов пучка.
Постоянный ток положительных ионов заряжает поверхность мишени положительно. Процесс продолжается, пока средний электронный ток не станет равным ионному току.
электронов везде перпендикулярны к поверхности. Тогда пьедестал ионного тока будет равномерно распределен по всей мишени.
Предположим, что поверхность мишени вначале находится под потенциалом катода или чуть ниже его и электроны из электронного пучка не наносятся на поверхность мишени, а положительные ионы из ионного пучка все время наносятся на нее, заряжая ее положительно. Как показано на рис. 14.32, все больше электронов могут достигать поверхности, когда она становится более положительной. В итоге потенциал поверхности становится достаточно положительным, так что ток электронов, попадающих на мишень, равняется току ионов, достигающих ее. Поскольку ток ионов генерируется электронным пучком, оба пучка действуют на мишень практически одновременно, так что потенциал мишени не меняется. Таким образом, сигнального тока нет, т.е. не течет ток от сигнального электрода через нагрузку, коль скоро устанавливается такое равновесие. Ионный ток, пьедестал, может достигать 100 нА, но обычно составляет 30-50 нА.
Мишень теперь попеременно экспонируется изображением теплой картины и холодной лопасти модулятора. Вращение модулятора может, например, быть синхронизировано с вертикальной разверткой, так что в каждой точке мишени изменение облученности происходит непосредственно перед моментом, когда электронный пучок сканирует эту точку (или в момент, совпадающий с моментом сканирования, либо следую- ншй непосредственно за ним). Таким образом, любая точка мишени нагревается в течение всего кадра и считывается результирующий заряд. Эта точка затем охлаждается в течение следующего целого кадра и может быть считан соответствующий отрицательный заряд. При чересстрочной электронной развертке картина сканирования выглядит сложнее (см. ниже).
Цикл считывания подробно иллюстрируется на рис. 14.32. В течение времени между сканами образование распределения зарядов на скани-
руемой поверхности определяется главным образом изменениями температуры. а не внешнего тока, достигающего данного элемента площади мишени. Если заряд поверхности положительный, электронный пучок наносит на поверхность количество электронов, необходимое для восстановления ее потенциала до среднего уровня пьедестала. Если заряд отрицательный, лишь немногие электроны электронного пучка остаются на поверхности, и примерно до среднего уровня пьедестала потенциал поверхности восстанавливается положительными ионами ионного пучка. В обоих случаях ток ионного пучка практически постоянный, в то время как электронный ток на каждую элементарную площадку мишени меняется в зависимости от распределения температуры на поверхности мишени, находясь то выше, то ниже уровня пьедестала. Эти изменения тока электронов, оседающих на мишень, через емкость связаны с сигнальным электродом и проявляются в виде изменении напряжения переменного тока на нагрузочном входном резисторе предусилителя. Этот тиц работы можно назвать режимом со стабилизированным током пьедестала в отличие от режима со стабилизацией по потенциалу катода в обычных видиконах. Равновесным потенциалом поверхности мишени является потенциал, при котором средний ток осаждающихся электронов равен ионному току. Как следует из рис. 14.32, ток ионного пучка (горизонтальная линия, обозначенная /мон) постоянный и практически не зависит от напряжения на поверхности мишени при данных значениях тока электронов и давления газа. Равновесный потенциал поверхности мишени соответствует точке пересечения этой линии с кривой осаждения электронов пучка.
Как показывает рис. 14.32, наклон упомянутой кривой, т. е. скорость, с которой меняется электронный ток в зависимости от напряжения на поверхности мишени, невелик в указанной точке равновесия. Следовательно, требуется существенный размах колебаний напряжения на поверхности, чтобы заметно изменить ток оседания. Однако эти колебания напряжения должны сопровождаться заряжанием емкости мишени током. осаждающихся электронов пучка. Следовательно, считывающее действие имеет некоторую эффективную постоянную времени, равную произведению эффективного импеданса пучка Rg и накопительной емкости сканируемой площади С,. Импеданс пучка есть величина, обратная тангенсу угла наклона кривой тока электронов пучка, достигающих поверхности мишени (рис. 14.32), которая в «хвосте», соответствующем низким значениям тока, может быть аппроксимирована максвелловским распределением. Таким образом,
^в = ^Tg/q^Y/Ip).(14.22)
VT°K пьедестала к мишени в рабочей точке. Тн связано с рас- электронов в пучке, перпендикулярных к поверх- т ^ обычных электронных пушек с отрицательной в намного выше, чем температура термоэлектронного катода,
равная 1200 К, потому что параксиальное распределение скооосгей расширяется, когда электроны, исходящие из некоторого участка на
(14.23)(14.23)2400 К вполне обычна. Если постоянная времен., величина порядка времени кадра или больше, то видеосигнал будет мал. потому что лишь небольшая часть пироэлектрического заряда считывается в течение времени каждого кадра. Чтобы уменьшить импеданс пучка нужно увеличить ток пьедестала путем, например, увеличения тока пучка электронов для увеличения тока ионов газа. К сожалению, при чении тока пучка обычно повышается эффективная температура и ток пьедестала в стабилизированных „о ионному току трубках обычно устанавливают, идя на компромисс, на уровне примерно 30 нА сущест венно „иже криво., оседания электронов пучка. Для типичного Значения накопительно» емкости 5 -10"» Ф (9.2-10’’ Ф. если отнести это значение к величине сканируемой площади), 1р = 30 нА и Тв = 2400 К имеем
(14.23)
(14.23)
т = (1сТв/9)(Сг//,) = 6,1 ■ 10-2 с.
Таким образом, поскольку обычно используется круглая мишень, в которую как раз вписывается размер растра с соотношением сторон 4:3, типичное значение тока пьедестала 30 нА дает постоянную времени считывания 61 мс, и пучок считывает только около 32% имеющегося сигнала в одном кадре считывания, приходящемся на действие лопасти модулятора. Неоднородности в создаваемом ионами газа пьедестале также ограничивают рабочий диапазон значениями тока 30—50 нА. Методы, позволяющие снизить температуру пучка и уменьшить емкость мишени, описаны ниже.
Метод формирования пьедестала, основанный на вторичной электронной эмнссин. Положительный ток пьедестала к сканируемой изолирующей пироэлектрической поверхности может быть также создан посредством вторичной электронной эмиссии. На рис. 14.33 показано, что коэффициент вторичной эмиссии для типичной мишени из триглищш- сульфата увеличивается примерно до 1,6, образуя широкий максимум, т. е. оставаясь примерно постоянным на указанном уровне в диапазоне
Рис. 14.33. Характеристика вторичной эмиссии триглицинсульфата.
ЮООнАЮООнАИмпульсыИмпульсы'ичныл'ичныл—-«чииинньм.ЧппнРМкзлектпоновдривимь—-«чииинньм.ЧппнРМкзлектпоновдривимь6 vAs,^^^6 vAs,^^^Бланкирование по горизонтали (по строке)Бланкирование по горизонтали (по строке)-100 нА-100 нАРис. 14.34, Образование пьедестала посредством вторичной эмиссии [6].Рис. 14.34, Образование пьедестала посредством вторичной эмиссии [6].ВидеосигналВидеосигнал
ЮООнА
ЮООнА
Импульсы
Импульсы
'ичныл
'ичныл
—-«чииинньм.ЧппнРМк
злектпоновдривимь
—-«чииинньм.ЧппнРМк
злектпоновдривимь
6 vAs,^^^
6 vAs,^^^
Бланкирование по горизонтали (по строке)
Бланкирование по горизонтали (по строке)
-100 нА
-100 нА
Рис. 14.34, Образование пьедестала посредством вторичной эмиссии [6].
Рис. 14.34, Образование пьедестала посредством вторичной эмиссии [6].
Видеосигнал
Видеосигнал
Более высокая энергия пучка во время обратного хода усиливает вторичную эмиссию и поверхность мишени заряжается положительно. Средний зарядовый сигнал, считываемый с площади мишени а, равен среднему заряду пьедестала с площади Ь. а-растр (сплошные линии - горизонтальные строки телевизионной развертки, штриховые линии обратного .хода); б-напряжения на катоде и управляющем электроде; «-полный видеосигнал; г-ток сигнального электрода.
энергии первичных электронов 60-80 эВ. В методе вторичной электронной эмиссии, впервые предложенном специалистами фирм «Филипс» [4] и «Амперекс» [5], напряжение между термоэлектронным катодом электронной пушки и мишенью увеличивается примерно до 70 В во время горизонтального обратного хода (когда пучок идет справа налево) (рис. 14.34). (Направления указаны для пространства объектов-или для изображения на дисплее.) Потенциал обратной стороны мишени остается постоянным на уровне —10 В относительно земли, в то время как потенциал сканируемой поверхности мишени в среднем близок к потенциалу земли. Результирующее поле препятствует деполяризации мишени. Катод пушки имеет потенциал земли во время считывающей части каждого периода строчного сканирования, но в импульсе достигает значения-70 В во время обратного хода. Электроны с энергией 70 эВ создают общий ток вторичной электронной эмиссии, текущей с поверхности
(14. 24)(14. 24)/s = /flTm(5- 1).
(14. 24)
(14. 24)
Здесь /х-ток вторичных эмитируемых электронов, покидающих мишень, /й-ток электронного пучка; гт - пропускание сетки или доля просветов в ней (тт = 0,65); 5 коэффициент вторичной эмиссии поверхности мишени (для триглицинсульфата при 70 эВ 5 = 1.6).
Так как коэффициент вторичной эмиссии 6 в зависимости от потенциала поверхности мишени изменяется очень медленно при энергии первичных электронов 70 эВ, этот механизм обеспечивает ток пьеде-
стала, который практически не зависит от пироэлектрического сигнала. В состоянии равновесия электронный заряд, удаляемый пучком электронов во время обратного хода (площадь b на рис. 14.34,?), должен равняться электронному заряду, наносимому пучком электронов за время считывания (площадь а на рис. 14.34,?); в обоих случаях речь идет о зарядах, усредненных за время многих кадров. В соответствии со стандартами вещательного телевидения США период строчной развертки составляет 63,5 мкс, время считывания приблизительно 53 мкс и время бланкирования - примерно 10,5 мкс. Время обратного хода занимает примерно половину этого времени, потому что часть периода бланкирования используется для обеспечения стабилизации развертки после обратного хода. Таким образом, в течение времени обратного хода общий ток, обусловленный вторичной электронной эмиссией, должен быть примерно в 10 раз больше, чем средний сигнальный ток, который определяется как ток пьедестала. Необходимое значение тока вторичной эмиссии устанавливают, регулируя ток пучка во время обратного хода путем подачи на управляющий пучком электрод импульса напряжения, отрицательного по отношению к катоду, так. чтобы разность потенциалов между управляющим электродом и катодом во время обратного хода была бы меньше, чем во время нормальной работы (рис. 14.34, и). Чтобы получить пьедестал 100 нА. необходимо иметь ток вторичной эмиссии около 1000 нА, и уравнение (14.24) показывает, что ток пучка должен при этом составлять около 2600 нА. Такой ток пучка можно обеспечить с помощью электронной пушки видикона, особенно учитывая, что во время обратного хода потенциал катод-ускоряющий электрод увеличивается на 70 В. Однако расчеты показывают, что для обеспечения тока пьедестала более 100 нА потребовалось бы модифицировать электронную пушку.
При использовании для создания пьедестала метода вторичной электронной эмиссии процесс генерации сигнала на мишени отличается от описанного выше в этом разделе для работы с пьедесталом, создаваемым из ионов газа. Положительный ток течет к поверхности мишени и далее во внешнюю цепь через нагрузочное сопротивление только во время обратного хода, в то время как отрицательный сигнальный ток течет к мишени и далее через нагрузочное сопротивление во время всего периода считывания (рис. 14.34,?). Таким образом, ток течет через нагрузку в течение каждого периода считывания независимо от того, воспринимает мишень изменяющееся тепловое изображение или нет. Ток вторичной электронной эмиссии постоянный и практически не зависит от потенциала поверхности мишени; величина тока вторичной эмиссии определяется током пучка электронов во время обратного хода.
Ток электронов, оседающих во время считывания, определяется мгновенным значением потенциала элемента поверхности мишени в момент, когда электронный пучок сканирует этот элемент. Как следует из рис. 14.35, если потенциал поверхности вначале отрицательный.
Рис. 14.35. Типичная характеристика оседания электронов пучка на диэлектрическую мишень с потенциалом, близким к потенциалу катода.
Для тока пьедестала 100 нА заряд на обратном ходе делает потенциал примерно на 0.3 В более положительным. Процесс считывания смещает потенциал вниз по кривой, так что (1,С)|/(Р)</г = 0Д В.
электроны во время считывания на мишень не осаждаются, но в течение каждого обратного хода электроны уходят с поверхности и поверхность приобретает все больший положительный заряд, вследствие чего увеличивается интенсивность осаждения считывающих электронов, пока не будет достигнуто состояние равновесия. В действительности, если рассмотреть изменение потенциала элемента поверхности подробнее, оказывается. что равновесие носит более сложный, динамический характер. Во время обратного хода потенциал элемента поверхности увеличивается на 0.3 В. Если не происходит изменений температуры мишени, то в течение следующего периода считывания потенциал уменьшается приблизительно на 0,3 В, возвращаясь к потенциалу катода электронной пушки,-режим работы в условиях стабилизации по потенциалу катода, идентичный режиму работы обычного видикона. Но точный рабочий диапазон и в особенности доля заряда, остающегося на мишени, зависят от формы кривой оседания электронов пучка. Для типичной мишени в состоянии равновесия при токе пьедестала 100 нА размах отклонения напряжения составляет 0.3 В. Доля остающегося заряда может быть уменьшена путем использования мишени с меньшей емкостью.
Пирикон, используемый в телевизионной камере с синхронизированным с разверткой модулятором, при рассматривании картины, которая теплее лопасти модулятора, работает следующим образом. Элемент чувствительной площади начинает экспонироваться соответствующим элементом теплой картины непосредственно после того, как электрон-
ПУЧОК считал сигнал с этого элемента и практически вернул К потенниалу катода электронной пушки. Эле- п1й^аДИ заряжастс” положительно приблизительно до 0,3 В вслед- эчектпоннпгп” вторичной электронной эмиссии во время обратного хода лучка, при этом полный размах напряжения может быть
достигнут и за несколько обратных ходов, потому что характеризующийся более высокой энергией во время обратного хода электронный пучок не так хорошо сфокусирован в это время, как в периоде считывания. Кроме того, в течение времени кадра температура мишени будет повышаться и появится дополнительный положительный пироэлектрический заряд, так что когда вслед за тем электронный пучок станет считывать сигнал с этого элемента, ток. определяемый интенсивностью оседания электронов на мишень, окажется больше 100 нА. Как и ранее, поверхность будет разряжаться в период считывания до потенциала термокатода. Затем картина закрывается лопастью модулятора, и поскольку по предположению лопасть холоднее картины, температура мишени во время следующего кадра будет понижаться. Ток вторичной эмиссии, генерированный во время обратного хода, вновь зарядит поверхность положительно примерно до 0,3 В, но отрицательный пироэлектрический заряд теперь уменьшит потенциал поверхности, и потребуется меньше считывающих электронов, чтобы опять вернуть потенциал поверхности к потенциалу катода. Считывающий ток. в этом кадре меньше 100 нА.
Изменения считывающего тока выше и ниже уровня пьедестала с емкостной связью через мишень формируют видеоинформацию. Результирующий электронный ток больше, когда участок рассматриваемой картины теплее, и меньше, когда он холоднее. Но сигнал всегда накладывается на ток пьедестала, равный 100 нА.
Как уже отмечалось, пирикон работает с модулятором и дает попеременно сигналы различной полярности в последовательных кадрах. Для стандарта развертки вещательного телевидения США информацию о рассматриваемой картине представляет сигнал с частотой 15 Гц, наложенный на пьедестал с частотой 30 Гц. Чтобы преобразовать сигнал для подачи на дисплей, теоретически нужно инвертировать сигнал с каждого второго кадра, но при этом большой сигнал пьедестала дополняется сигналом с частотой 15 Гц и будет наблюдаться сильно мешающее мерцание. Хелмик и Вудворт [7] предложили вместо этого вычитать информацию, содержащуюся в каждом кадре, из информации предыдущего кадра и затем инвертировать каждый второй разностный сигнал. Важнейший результат такого метода - исключение сигнала от пьедестала, который не меняется от кадра к кадру, так что неравномерности пьедестала в сигнале не проявятся.
Формирование пьедестала при работе пирикона методом вторичной электронной эмиссии имеет два важных преимущества. Во-первых, 8 трубке можно создать более высокий вакуум, так что срок службы термокатода может составлять несколько тысяч часов, как и у обычных видиконов. Во-вторых, можно установить ток пьедестала на достаточно высоком уровне, чтобы обеспечить работу с приемлемо малой инерционностью. Некоторую второстепенную проблему при использовании метода вторичной электронной эмиссии представляет требование ли-
нейности обратного хода. В обычных телевизионных схемах обращается внимание на линейность развертки в периоде считывания, а относительно обратного хода просто полагается, что его цикл замкнутый и переходные процессы успевают пройти до того, как начнется следующий период считывания. Поэтому при использовании пирикона в обычной телевизионной камере могут потребоваться некоторые модификации схем развертки, чтобы обеспечить линейность обратного хода развертки и добиться удовлетворительного функционирования в режиме пьедестала. создаваемого посредством вторичной электронной эмиссии.
Формирование пьедестала посредством проводимости чувствительного слоя мишени или тока смешения. Ток пьедестала можно также обеспечить с помощью проводимости чувствительной поверхности, если пироэлектрический кристалл имеет соответствующее удельное сопротивление порядка 1О10- 1012 Ом см. так что положительное смещение тыльного электрода на величину 30... 100 В дает средний ток 100 нА через сканируемую площадь мишенип. Удельное сопротивление должно быть достаточно большим, чтобы исключить ток пироэлектрического сигнала за время кадра. Это значит, что
/А
(14-25)(14-25)г = RC = р —Кге0 — = 8,85 • 10" 12рКг А/
(14-25)
(14-25)
должно быть много больше, чем 1/30 с. Типичное значение Кг равно 72. Следовательно, подходящим было бы выбрать величину р от 5- 1011 до I012 Ом см. К сожалению, пироэлектрические материалы, например триглицинсульфат (ТГС) и триглицинфторбериллат (ТГФБ), являются кристаллами-изоляторами с удельным сопротивлением, много большим, чем 1012 Ом см. Из материалов, которые в настоящее время могут рассматриваться, только германат свинца (РЬ5Се3Ом) и легированный цирконат-титанат свинца имеют достаточно низкие значения удельного сопротивления, но первый хрупок, а второй характеризуется очень большой диэлектрической проницаемостью.
Ток пьедестала через мишень может быть также создан как ток смещения (емкостной ток). Емкость ТГС-мишени в поперечном направлении достаточно велика, так что медленно увеличивающееся напряжение сигнального электрода может обеспечить пригодный для использования ток пьедестала на 10-20 с работы. По истечении этого срока прерывается на несколько кадров видеосигнал, изменяется напряжение электронной пушки, чтобы бомбардировать чувствительную поверхность электронами с энергией 70 эВ и зарядить поверхность более положительно (по отношению к потенциалу сетки-коллектора), выключается пучок и затем уменьшается до отрицательного потенциала напряжение сигнальной пластины. Затем на электронной пушке восстала ne^J0^11?6^07^13 °?Условливается при этом самопроизвольным стеканием кадра - ПриммаРУСМ°И стороны мии,сни на сигнальный электрод за время
павливаются напряжения, необходимые для нормального режима считывания, и цикл изменения напряжений на мишени повторяется.
Такой режим работы можно использовать для получения тока пьедестала 30-50 нА ценой похожего на мерцания яркости прерывания для «подзарядки» каждые 10 или 20 с. Ограничения, помимо времени работы, связаны с изменениями емкости от точки к точке из-за неоднородной толщины мишени, что приводит к неоднородностям в пьедестале.
При формировании пьедестала посредством как проводимости, так и емкостного тока облученность изображения необходимо модулировать. чтобы получить пироэлектрический сигнал. Это достигается или панорамированием, или с помощью модулятора. Пироэлектрический сигнал накладывается на сигнальный ток пьедестала, и неоднородности пьедестала проявляются в сигнале, если только не используется схема вычитания пьедестала.
Модуляция изображения - применение специального модулятора или панорамирования. Чтобы получить телевизионное изображение стационарной картины, необходимо промодулировать распределение облученности по изображению, сфокусированному на мишени пирикона, применяя специальный модулятор или панорамирование. Каждый из этих двух методов имеет свои преимущества. Многие опубликованные в литературе данные свидетельствуют, что при низких контрастах и малых значениях минимальной разрешаемой разности температур изображение лучше воспринимается в режиме панорамирования, чем при использовании модулятора. Вопреки этому, анализ показывает, что тепловая МПФ должна быть лучше именно при использовании модулятора. По данным Уаттона и др. [9], описанным ниже, в режиме панорамирования амплитуда сигнала была примерно в 10 раз больше, чем при работе с модулятором при одинаковых пространственных частотах миры. Анализ показывает, что такие результаты были, вероятно, получены из-за эффектов инерционности считывания, осложненных влиянием тепловой постоянной времени мишени. Данные Уаттона и др. [9] получены при токах пьедестала всего 1 или 2 нА; при этом эффективное сопротивление пучка составило Кв = 2,5- 10й Ом и постоянная времени считывания г = 2,3 с была намного больше времени кадра. Таким образом, в системе с частотой кадров 25 или 30 Гц считывается лишь небольшая часть заряда, генерированного на поверхносн мишени за время кадра.
В системе с панорамированием заряд, не считанным в одном кадре, прибавляется к заряду, генерированному в следующем кадре, увеличивая размах напряжения и тем самым сигнал, определяемый зарядом, считываемым в каждом кадре. Рассмотрим простое изображение, показанное на рис. 14.36,-прямой вертикальный край между двумя областями с различной, равномерной внутри каждой области, облученностью. Когда край во время кадра проходит через элементарную площадку
Температура | объекта 77Температура | объекта 7733I ТемператураобъектаI ТемператураобъектаТг>Т1Тг>Т1Направление —движения изображенияНаправление —движения изображения
Температура | объекта 77
Температура | объекта 77
3
3
I Температураобъекта
I Температураобъекта
Тг>Т1
Тг>Т1
Направление —движения изображения
Направление —движения изображения
а
Рис. 14.36. Режим панорамирования.
с - панорамирование приводит к тому, что изображение двух полуполей, каждое из которых характеризуется своей равномерной температурой, движется на приемной поверхности влево (вертикальные линии показывают края последовательных кадров); о - последовательные сканы хотя и вызывают возрастание фазового сдвига и снижение МПФ, но дают увеличение амплитуды сигнала.
мишени, площадка нагревается и на сканируемой поверхности мишени появляется положительный заряд. Какая-то часть этого заряда считывается в следующем цикле сканирования, но мишень продолжает нагреваться в последующих кадрах. Скорость изменения температуры мишени зависит от радиационного баланса между мишенью и ее окружением, включая рассматриваемую картину, излучение которой попадает на мишень объектива. Для ДТ = Ts — Т, т. е. разности между температурами картины (Т$) и мишени (Г), имеем уравнение
</(ДЛ ттО24суеТ3
-УГ = "^—7Г^<1426>
где Td - коэффициент пропускания атмосферы; т„-коэффициент пропускания оптической системы; о-постоянная Стефана-Больцмана; е-коэффициент излучения; О - относительное отверстие оптической системы; с -теплоемкость единицы объема материала мишени; d-толщина мишени. Подставляя типичные численные значения тахо = 0,8. е = 0.7, I = 290 К, с = 2,5 Дж/(см3-К), d =3* 10-3 см, можно найти, что тепловая постоянная времени лежит между 1,5 и 2 с. Таким образом, когда мишень визирует радиационный скачок, скорость изменения температуры приблизительно постоянна на протяжении нескольких кадров развертки. При наблюдении изображений протяженных объектов или более теплых полос крупной штриховой миры, когда коэффициент считывания мал, сигнал, считываемый с элементарной площадки мишени, в последовательных кадрах во время увеличивается. Эффект даже более ярко выражен, когда коэффициент считывания еще меньше. Далее, поскольку проявляющийся сигнал возрастает со временем и зависит поэтому от
положения, инерционность о режиме панорамирования оказывает сильное влияние на МПФ, уменьшая ее. Иными словами, при малом коэффициенте считывания электронным пучком сигнал в режиме панорамирования может сильно возрасти при рассматривании картины с крупномасштабными деталями, в то время как при наблюдении высоких пространственных частот сигнал будет мал.
В отличие от этого, в режиме работы с модулятором мишень нагревается во время одного кадра и затем охлаждается во время второго. Сигнальный заряд не прибавляется от кадра к кадру, и в действительности во время кадра, визирующего картину, когда из заряда вычитается заряд противоположного знака, образовавшийся в предшествующем кадре при визировании лопасти модулятора, считывания не происходит. Таким образом, в режиме работы с модулятором пирикон должен иметь высокий коэффициент считывания пучком, чтобы обеспечить высокую чувствительность. По-видимому, в этом-основная причина низкого сигнала в режиме с модулятором в трубках ранних разработок с пьедесталом, формируемым ионами газа. При токе пьедестала I - 2 нА коэффициент считывания, т. е. доля сигнала, считываемого за время кадра, составляла всего несколько процентов. Значит, в режиме панорамирования проинтегрированные заряды изображения могли увеличить образующееся на поверхности мишени напряжение по меньшей мере в 10 раз по сравнению с величиной, формирующейся в одном кадре, повышая сигнальный ток и коэффициент считывания в последующих кадрах. В режиме модулятором такое увеличение было невозможно. Более поздние разработки и исследования изменили картину. Применение для формирования пьедестала вторичной электронной эмиссии, процесс вычитания изображений для исключения неравномерностей пьедестала и разработка электронных пушек с низкой температурой пучка позволили использовать большие токи пьедестала в сочетании с низкой температурой пучка и повысить коэффициент разряжания при считывании до 40%. В результате сигнальные токи в режиме панорамирования и при использовании модулятора получаются близкими по величине.
В обычной телевизионной аппаратуре вещательного типа пириконы, как правило, работают в режиме чересстрочной развертки. Рабочий цикл с синхронизированным с разверткой модулятором иллюстрируется Рис. 14.37. (См. также рис. 14.30.) Модулятор заставляет мишень визировать в течение времени одного кадра картину и в течение времени следующего кадра лопасть модулятора, движущуюся по картине сверху вниз в течение времени одного полукадра приблизительно синхронно со сканирующим электронным пучком. Когда задний край лопасти модулятора начинает движение сверху, электронный пучок сканирует участки мишени, которые визировали лопасть в течение времени 1/30 с. В следующем полу кадре просканированные участки площади визируют рассматриваемую картину в течение 1/60 с, и в третьем полу кадре время
1234
Положение по вертикали пучка.разверткиПоложение по вертикали пучка.разверткиПрорезь Лопасть модулятора модулятора (открыто) ^ (закрыто)Прорезь Лопасть модулятора модулятора (открыто) ^ (закрыто)Четный Нечетный Четный Нечетный
Положение по вертикали пучка.
развертки
Положение по вертикали пучка.
развертки
Прорезь Лопасть модулятора модулятора (открыто) ^ (закрыто)
Прорезь Лопасть модулятора модулятора (открыто) ^ (закрыто)
Верхкартины
картиныПоложение по вертикалипереднего края лопастимодулятора
Рис. 14.37. Режим работы с модулятором.
Лопасть модулятора движется сверху вниз вместе с электронным пучком. Поскольку пучок считывает всю мишень за полукадр, первый сигнал определяется экспозицией только за последнюю 1/60 с, и сигнал за скан / равен сигналу за скан 2, а сигнал за скан 3- сигналу за скан 4.
визирования картины доводится до 1/30 с. Как было показано выше, скорость изменения температуры в каждом полукадре практически одинакова, и если бы два скана были независимы, второй полукадр в каждом кадре характеризовался бы удвоенной по сравнению е первым полукадром амплитудой сигнала. Однако на самом деле электронный пучок в любом видиконе имеет приблизительно гауссово поперечное сечение с полушириной около 46 мкм. Когда пучок сканирует каждую строку любого полукадра, примерно половина сигнала получается от заряда, связанного с этой строкой, и примерно по четверти - от зарядов, связанных с двумя соседними примыкающими строками второго полукадра. Стало быть, в каждом полукадре пучок стирает накопленный заряд практически равномерно, но не полностью, и для разумной аппроксимации амплитуды сигнала и учета инерционности мишень можно рассматривать как бы сканируемую полностью 60 раз за 1 с. Для такой аппроксимации предшествующая экспозиция важна только за время одного предшествующего полукадра, и синхронизированный с кадровой частотой модулятор будет обеспечивать получение сигналов равной амплитуды в обоих полукадрах кадра. Заметим, однако, что рассчитанная амплитуда сигнала не уменьшается, поскольку в этой модели уменьшены вдвое времена экспозиции и считывания.
Благодаря лучшим результатам, которые обеспечивали в режиме панорамирования ранние модели пириконов с пьедесталом, формируемым ионами газа, а также благодаря тому, что работа в этом режиме не требовала переделки обычных телевизионных камер, режим панорамирования широко использовался. Однако этот режим имеет и ограничения, которые сформулированы, например, в работе [8]. Во-первых, в режиме панорамирования сигнал получается, лишь когда в рассматриваемой картине имеются изменения температуры в направлении движе-
НИЯ. Это приводит к несимметричной чувствительности. Так, например, при горизонтальном панорамировании получается очень маленький сигнал от перепадов яркости близ горизонта. Поскольку во многих случаях направление температурных градиентов в поле зрения неизвестно. возможным решением является круговое панорамирование или нутация, аналогичные применяемым для предотвращения явлений утомления схем при получении изображения в тепловизионных камерах с ортиконами.
Поскольку рассматриваемые приемные системы реагируют на градиенты температуры или коэффициента излучения, все панорамирующие камеры являются «разностными» обнаружителями. Это обстоятельство, помогающее улучшить видимость изображения, по-видимому, частично ответственно и за получаемые в режиме панорамирования малые (т.е. хорошие) значения минимальной разрешаемой разности температур.
Вторая проблема касается инерционности пириконов. Если рассматриваемая картина содержит, например, крупномасштабный объект, температура которого намного выше средней температуры, соответствующая площадь мишени пирикона будет нагрета до сравнительно высокой температуры. Для возврата этого участка к равновесной температуре потребуется затем время на протяжении многих кадров, и в течение всего времени восстановления это приведет к появлению темной площади репродуцируемого изображения. Таким образом, в режиме панорамирования появление горячего объекта сопровождается темным или черным следом в изображении, который часто маскирует другие детали картины. К этому добавляется инерционность считывания пучком, так как повторяющийся отрицательный сигнал в последовательных кадрах сдвигает рабочую точку мишени в сторону отрицательных напряжений, и может потребоваться много кадров, чтобы восстановить электронное равновесие.
Еще одним недостатком режима панорамирования является утомление наблюдателя. Непрерывное перемещение всего изображения на дисплее требует от наблюдателя осознанных усилий, чтобы разглядеть мелкие детали. При круговом панорамировании картину можно остановить, используя отклонение в противоположном направлении на дисплее, но только ценой некоторого уменьшения поля зрения. Далее, горячий объект даст в этом случае вращающийся в противоположную сторону черный след на полученной стационарной картине.
Обработка изображения с вычитанием информации от кадра к кадру. Когда пирикон используется с синхронизированным по кадровой частоте модулятором (рис. 14.30), информация об изображении представляет собой сигнал над пьедесталом во время кадров, в течение которых мишень визирует рассматриваемую картину, т.е. в каждом втором кадре (рис. 14.38, а\ В промежуточных кадрах, когда мишень визирует лопасть модулятора, информация об изображении-это сигнал под пьедесталом. Поскольку несущая информацию часть сигнала при пере-
„4*^ 4^™ "дат”“”й
«цяпину картинуУ-
Инвертированиеотносительно пьедесталаИнвертированиеотносительно пьедестала—Пьедестал—ПьедесталИнвертированиеотносительно
Инвертированиеотносительно пьедестала
Инвертированиеотносительно пьедестала
—Пьедестал
—Пьедестал
. Уровня манкирования
ааббРис. 14.38. Характеристики видеосигнала с синхронизированным по кадру моду- л втором.
а
а
б
б
а-видеосигнал по кадровой частоте. Рассматриваемая картина теплее, чем лопасть модулятора. Сигнал в кадре, визирующем лопасть, является зеркальным отображением относительно линии пьедестала сигнала в кадре, визирующем картину. Пьедестал в приведенной схеме формируется посредством вторичной электронной эмиссии, б-попеременное по кадрам инвертирование сш налов относительно уровня блокирования дает значительное !5-Гц мерцание. Инверсия относительно пьедестала может обеспечить согласование в последовательных кадрах, но ее трудно осуществить из-за неравномерностей пьедестала.
ходе от одного кадра к следующему меняет знак, видеосигнал для дисплея необходимо формировать, инвертируя сигнал через кадр. К сожалению, пьедестал, даже при использовании для его образования ионов газа, больше сигнала, а при использовании вторичной электронной эмиссии - намного больше. Если просто менять полярность сигнала через одни кадр, то пьедестал даст мерцание яркости с высокой амплитудой с частотой 15 Гц (рис. 14.38, о). Мерцание будет устранено, если перед обработкой в каждом кадре вычесть пьедестал из видеосигнала (штриховые линии на рис. 14.38, о). В идеале разность должна содержать только несущий информацию сигнал. Однако на практике ток пьедестала в пириконах всегда немного неравномерный, и простое вычитание средней величины пьедестала из сигнала оставляет неоднородности пьедестала, которые прибавляются к сигналу. Описанный метод инвертирования сигнала в каждом втором кадре здесь приводит к значительно меньшему мерцанию, обусловленному неравномерностями пьедестала, однако и такое мерцание часто крайне нежелательно.
Все рассмотренные выше методы обработки сигнала могут исполь- зоватья в стандартных телевизионных камерах с видиконами при незначительных переделках для вычитания пьедестала и инвертирования видеосигнала через кадр. Хелмик и Вудворт [7] исследовали работу телевизион пых камер в режиме панорамирования и при использовании модулятора и пришли к заключению, что в обоих случаях результаты нельзя считать полностью удовлетворительными. По-видимому, необходимы более радикальные методы обработки сигнала. Поэтому они вернулись к идее обработки с «вычитанием изображений» в схеме с модулятором в более сложной телевизионной камере, изготовленной учетом современных требований, чтобы получить наилучшее телевизионное изооражение с пирикона.
На рис. 14.39 показана схема системы телевизионной камеры с пи-
рнконом С вычитанием изображений. Ключевым нововведением является регистратор с видеодиском или другим устройством памяти тля запоминания информации с каждого кадра на время одного кадра. В этом методе видеосигнал для каждого кадра в реальном времени вычитается из хранимого видеосигнала от предыдущего кадра. Если текущий кадр берегся после того, как мишень пирикона визировала лопасть модулятора, результирующий разностный сигнал имеет правильную полярность и передается без изменений. Если текущий кадр взят после того, как мишень пирикона визировала рассматриваемую картину, результирующий разностный сигнал имеет отрицательную полярность и перед передачей инвертируется. Эти операции проиллюстрированы на рис. 14.40.
Рис. 14.39. Система разностной обработки изо р*Рис. 14.39. Система разностной обработки изо р*Выходной видеосигналВыходной видеосигнал_в телевизионной камере_в телевизионной камере
Рис. 14.39. Система разностной обработки изо р*
Рис. 14.39. Система разностной обработки изо р*
Выходной видеосигнал
Выходной видеосигнал
_в телевизионной камере
_в телевизионной камере
с пириконом [7].э (ектрическнй приемник;
/-модулятор с 10 лопастями (частота вращенияи синхроинзаини по
7 -двигатель постоянного тока; 4-пень упр -'апИС синхронизация, а * .*
5-оптика; б пирикон; 7 отклонение.
Управление пучком. 8 -федусилитель; 9 вндеоус^^ ком№ция фона.
// переключатель полярности ^£thhизображеНия.
*4 -синхронизатор и пьедестал. 15 оконту^
к ЯпКадр,
ЯД“Д5» го?”иня ^^m°pa
ПьедесталПьедестал1/30 с1/30 сУровень бланкированияУровень бланкированияаКонечный выходной сигналаКонечный выходной сигнал6
Пьедестал
Пьедестал
1/30 с
1/30 с
Уровень бланкирования
Уровень бланкирования
а
Конечный выходной сигнал
а
Конечный выходной сигнал
Рис. 14.40. Обработка сигналов с вычитанием изображений.
Сигнал каждого кадра вычитается из сигнала предыдущего кадра, затем кадры инвертируются через один. Амплитуда сигналов удваивается и неравномерности пьедестала исключаются, а-картина видеосигнала по кадровой частоте на выходе видеоусилителя; о - видеосигнал после вычитания последовательных пар кадров (сплошная линия) и после попеременного инвертирования кадров (штриховая линия).
Обработка с вычитанием изображений, используемая в телевизионной камере с модулятором, имеет существенные преимущества. Во-первых, пьедестал в каждом кадре вычитается из пьедестала предыдущего кадра. Таким образом, неравномерности пьедестала исключаются, что значительно повышает качество воспроизведения картины. Во-вторых, амплитуда сигнала в каждом кадре по существу удваивается, потому что она в данном случае представляет разность горячего и холодного сигналов. В результате минимальная разрешаемая разность температур уменьшается (т. е. характеристики аппаратуры по этому параметру улучшаются). В-третьих, этот метод обеспечивает симметричность разрешающей способности по полю и улучшает тепловую МПФ, что подробно объяснено ниже. Наконец, эффект появления негативного последовательного образа горячего объекта здесь практически устранен, и из<^Ражение в Целом стабильно и свободно от мерцаний. Стоимость обработки сигнала с вычитанием изображений значительная. Тем ие менее отличное качество изображения и малое значение минимальной разрешаемой разности температур привлекают внимание к такому способу обработки сигнала.
Характеристики пириконов. На рис. 14.41 приведены расчетные характеристики тепловой МПФ равномерной ТГС-мишени диаметром 18 мм и толщиной 25 мкм [9]. Сплошные кривые рассчитаны для панорамирования в направлении изменений облученности для миры с синусоидальным распределением яркости, штриховые кривые-для работы с модулятором. Тепловая чувствительность на низких частотах при работе с модулятором примерно вдвое ниже, чем в режиме панорамирования. Поэтому кривые для случая использования модулятора на низких частотах приближаются не к единице, а к 0,5 (50%).
Наблюдается дополнительный эффект (известный как смешение сигналов), который приводит к резкому падению чувствительности в режиме панорамирования. Этот эффект показан на рис. 14.41 на сплошной кривой при скорости панорамирования 10 мм/с. Если скорость панорамирования слишком велика и полный цикл движения изображения умещается во времени полукадра (предполагается, что развертка чересстрочная), чувствительность будет спадать до нуля, потому что каждый малый элемент чувствительной площади будет усреднять входную облученность от миры до нейтрального уровня. Таким образом, при 10 мм/с в системе с частотой кадров 25 Гц (и частотой полу кадров 50 Гц) чувствительность при 5 штр/мм спадет до нуля, как бы хороша ни была трубка. Обнаружено также падение чувствительности в режиме
500500300300200200100703010070302020оо/2/2оооооооооо10 I1 I.. 1 u JI”—=—10305 0,7 1,02,0 3,0 5,0Пространственная частота,lump/ммРис. 14.42. Видеосигнал в режиме панорамирования по результатам измерений [9]./-при огносительном отверстии оптики Г.1; 2-при относительном отверстии оптики 1:2.10 I1 I.. 1 u JI”—=—10305 0,7 1,02,0 3,0 5,0Пространственная частота,lump/ммРис. 14.42. Видеосигнал в режиме панорамирования по результатам измерений [9]./-при огносительном отверстии оптики Г.1; 2-при относительном отверстии оптики 1:2.Рис. 14.43. Видеосигнал при работе с модулятором по результатам измерений [9].Рис. 14.43. Видеосигнал при работе с модулятором по результатам измерений [9]./-при частоте модуляции 3,125 Гц; 2-при частоте модуляции 12,5 Гц./-при частоте модуляции 3,125 Гц; 2-при частоте модуляции 12,5 Гц.
500
500
300
300
200
200
100
70
30
100
70
30
20
20
о
о
/
2
/
2
о
о
о
о
о
о
о
о
о
о
10 I1 I.. 1 u JI”—=—1
0305 0,7 1,02,0 3,0 5,0
Пространственная частота,lump/мм
Рис. 14.42. Видеосигнал в режиме панорамирования по результатам измерений [9].
/-при огносительном отверстии оптики Г.1; 2-при относительном отверстии оптики 1:2.
10 I1 I.. 1 u JI”—=—1
0305 0,7 1,02,0 3,0 5,0
Пространственная частота,lump/мм
Рис. 14.42. Видеосигнал в режиме панорамирования по результатам измерений [9].
/-при огносительном отверстии оптики Г.1; 2-при относительном отверстии оптики 1:2.
Рис. 14.43. Видеосигнал при работе с модулятором по результатам измерений [9].
Рис. 14.43. Видеосигнал при работе с модулятором по результатам измерений [9].
/-при частоте модуляции 3,125 Гц; 2-при частоте модуляции 12,5 Гц.
/-при частоте модуляции 3,125 Гц; 2-при частоте модуляции 12,5 Гц.
панорамирования до нуля, когда пространственная частота изображения приближается к нулю.
При работе с модулятором МПФ принимает максимальное значение для наибольшей частоты модуляции 12,5 Гц, потому что здесь мало время поперечного растекания тепла. Эта кривая, приведенная для системы с частотой кадров 25 Гц, описывает характеристику системы, в которой чувствительная поверхность попеременно визирует в одном кадре картину, а в следующем - лопасть модулятора.
Показано, что для этой мишени поперечное растекание тепла или смешение сигналов уменьшает расчетные значения тепловой МПФ в области 3-5 штр/мм в изображении. Таким образом, для трубок с такими мишенями следует ожидать максимального разрешения от 108 до 180 телевизионных строк на высоту кадра.
Зависимости видеосигнала от пространственной частоты миры по результатам измерений представлены на рис. 14.42 и 14.43 для режима панорамирования и для работы с модулятором соответственно. Эти результаты относятся к трубке, в которой пьедестал формируется ионами газа с мишенью диаметром 18 мм и толщиной 25 мкм и получены при наблюдении тепловой штриховой миры. Очевидно, что МПФ
много ниже, чем по проведенным с учетом рассеяния тепла расчетам и амплитуда сигнала при работе с модулятором составляет всего около Ю% амплитуды при работе в режиме панорамирования. Ток пьедестала в этих измерениях устанавливался между 1 и 2 нА, чтобы получить хорошую равномерность пьедестала, в результате чего коэффициент считывания был очень мал, чем и объясняется низкая чувствительность при работе с модулятором. На рис. 14.44 показана зависимость сигнального тока при пространственной частоте 1,1 штр/мм от тока пьедестала для режима панорамирования и для работы с модулятором. Видно, что при работе с модулятором гок сигнала при увеличении пьедестала возрастает в 3—5 раз, а в режиме панорамирования —лишь незначительно.
Один из методов уменьшения теплопроводности в поперечном направлении заключается в придании сканируемой стороне мишени посредством рифления сетчатой структуры, так что каждый небольшой участок поверхности теплоизолирован от соседнего (сетчатая мишень) [10]. На рис. 14.45 показаны характеристики пирикона с пьедесталом, создаваемым посредством вторичной электронной эмиссии, чтобы обеспечить высокое значение тока пьедестала. В режиме панорамирования при скорости 2 мм/с относительная чувствительность увеличивается при 3 штр/мм от примерно 35% для тонкой мишени с однородным слоем ТГС до примерно 63% для сетчатой мишени. Ток пьедестала при этих измерениях был порядка 100 нА, т. е. намного выше, чем в трубках с пьедесталом, создаваемым ионами газа, характеристики которых показаны на рис. 14.42-14.44.
Увеличение МПФ может быть также достигнуто при использовании
Рис. 14.44. Зависимость сигнала от тока пьедестала [9].Рис. 14.44. Зависимость сигнала от тока пьедестала [9].Пространственная частота 1.1 штр/мм. 'режим панорамирования; 2-работа с модулятором (12,5 Гц); 3-работа с модуля- тором (3,125 Гц).Пространственная частота 1.1 штр/мм. 'режим панорамирования; 2-работа с модулятором (12,5 Гц); 3-работа с модуля- тором (3,125 Гц).Рис. 14.45. Зависимость МПФ от пространственной частоты для сетчатой мишени из ТГС (кривая 2) [10].Кривая / МПФ для монокристалла. Скорость панорамирования 2.0 мм/с.Рис. 14.45. Зависимость МПФ от пространственной частоты для сетчатой мишени из ТГС (кривая 2) [10].Кривая / МПФ для монокристалла. Скорость панорамирования 2.0 мм/с.
Рис. 14.44. Зависимость сигнала от тока пьедестала [9].
Рис. 14.44. Зависимость сигнала от тока пьедестала [9].
Пространственная частота 1.1 штр/мм. 'режим панорамирования; 2-работа с модулятором (12,5 Гц); 3-работа с модуля- тором (3,125 Гц).
Пространственная частота 1.1 штр/мм. 'режим панорамирования; 2-работа с модулятором (12,5 Гц); 3-работа с модуля- тором (3,125 Гц).
Рис. 14.45. Зависимость МПФ от пространственной частоты для сетчатой мишени из ТГС (кривая 2) [10].
Кривая / МПФ для монокристалла. Скорость панорамирования 2.0 мм/с.
Рис. 14.45. Зависимость МПФ от пространственной частоты для сетчатой мишени из ТГС (кривая 2) [10].
Кривая / МПФ для монокристалла. Скорость панорамирования 2.0 мм/с.
тонкой однородной мишени с пушкой, дающей ламинарный поток электронов. В этой конструкции отрицательно заряженная управляющая сетка близ катода отсутствует, а электроны эмитируются в область ускоряющего поля, если не считать пространственного заряда. Поток электронов не концентрируется в кроссовере, а плотность эмиссионного тока на термокатоде такая же, как и на мишени. В результате отсутствует расширение параксиального распределения электронов по скоростям и эффективные температуры пучка по данным измерений составляют 1500- 1800 К. Вдобавок электронная пушка такой конструкции позволяет использовать большие значения тока пьедестала, потому что температура пучка не повышается сколько-нибудь существенно с ростом тока пучка. Вместе с более низкими эффективными температурами пучка и более высокими токами пьедестала поддерживается и высокий коэффициент считывания с тонких мишеней, что уменьшает поперечное растекание тепла и улучшает МПФ системы.
На рис. 14.46 представлена зависимость глубины модуляции сигнала от пространственной частоты по результатам измерений Хелмика и Вудворта [7], проведенных в режиме работы с модулятором и использованием обработки сигнала с вычитанием изображений. Исследовалась трубка Thomson-CSF ТНХ-840, в которой формируемый ионами газа пьедестал устанавливался на уровне примерно 30 нА. Величина нескорректированного сигнала при 3 штр/мм составила 40%, а если учесть ограничивающее МПФ влияние видеоусилителя с полосой 1 МГц, то скорректированное значение будет равно около 50%. Отличные результаты частично объясняются применением авторами методики обработки сигнала с вычитанием изображений, а частично-очень высоким качеством оптики. При 25 штр/мм МПФ оптики была выше 50% и, следовательно. на пространственной частоте 3-5 штр/мм она была бы близка к 100%. Хорошие результаты получались, по-видимому, также благодаря использованию режима работы с модулятором, что ограничивало время, в течение которого тепло могло бы растекаться в поперечном направлении.
Чувствительность. Когда меняется температура кристаллической мишени из пироэлектрика, соответствующее изменение объемной спонтан-
Рис. 14.46. Зависимость глубины модуляции сигнала от пространственной частоты.
Модулятор с частотой модуляции 15 Гц; пьедестал формировался ионами газа; ДТобъекта 17 С. Штриховая кривая скорректирована путем исключения ограничивающего влияния полосы видеоусилителя 12,5 МГц; сплошная кривая проведена по экспериментальным точкам.
ной поляризации вызывает появление на поверхности кристалла электрического заряда. Этот пироэлектрический эффект описывается пироэлектрическим коэффициентом Р, измеряемым в единицах Кл м"2 К"1 Для пироэлектрической мишени в видиконе результирующий ток сигнала определяется скоростью, с которой считывается этот заряд Таким образом, ток сигнала равен ls = /W)[Tm(z) - Tn(t - /,)], и если все излучение, падающее на мишень, поглощается, то в режиме работы с модулятором, когда мишень подвергается воздействию излучения рассматриваемой картины в течение времени кадра, справедливы соотношения
A A EAt, 1^Р7^Тт" Tf\ApdcA A EAt, 1^Р7^Тт" Tf\ApdcррР -т-АЕ, pdcPР -т-АЕ, pdcP(14.27)(14.27)
A A EAt, 1^Р7^Тт" Tf\Apdc
A A EAt, 1^Р7^Тт" Tf\Apdc
р
р
Р -т-АЕ, pdcP
Р -т-АЕ, pdcP
(14.27)
(14.27)
[s= P<typdcP,
где Р-пироэлектрический коэффициент (кл-м'2 К-1): d-толщина мишени (м); р-плотность материала чувствительного слоя (кг-м"3); сР-удельная теплоемкость (Дж кг-1-К-1); Л-эффективная сканируемая площадь, включая избыточно сканируемые участки (м2); zz-время кадра сканирующей системы (с); Е-результирующая облученность на мишени (Вт-м-2); Ф-результирующий поток, падающий на эффективную сканируемую площадь мишени (Вт); ДТт- изменение температуры мишени от одного кадра к другому (К). Чувствительность 91 = = /5/Ф = P^pdcp^ может быть выражена в единицах A/Вт, так же как и для приемников, не создающих изображения.
На самом деле уравнение (14.27) применимо только в случае работы пирикона с модулятором и равномерной облученности изображения по всей активной площади мишени. Уравнение можно обобщить, включив в него МПФ оптической системы и МПФ электроники трубки и камеры и выразив сигнальное излучение в параметрах, относящихся к рассматриваемой картине. Подробнее характер МПФ рассмотрен в следующем разделе.
Предположим, что рассматривается многоштриховая мира, энергетическая светимость которой по оси, перпендикулярной направлению штрихов, меняется по синусоидальному закону. Если средние температуры картины и мишени приблизительно равны друг другу, то распределение облученности в изображении на чувствительной поверхности будет определяться уравнением
Е^ = Wf401^Tcos ^У^- м (f х г) (14.28) 4(1+ж)2
где тл, т0 и т г—доли излучения абсолютно черного тела, пропускаемые атмосферой, оптикой и передней плоскостью чувствительного слоя соответственно (положим татоТу = т); АТ-максимальное отклонение температуры от среднего значения температуры в синусоидальной мире,
т е. амплитуда модуляции; /-пространственная частота (измеренная, например, в единицах штр/мм) в изображении на мишени пирикона; Т средняя температура картины, равная температуре мишени; О-относительное отверстие оптической системы; т линейное увеличение оптической системы; М (/ х, г)-МПФ оптической системы, показывающая, как будет предположительно изменяться МПФ в точках .v, у вне оси на изображении [далее обозначается как М(/)].
Из уравнений (14.27) и (14.28) получаем
РА т024оГ3АТсо5(2л/г)
(14.29)(14.29)l-^P -^mf - ^W^/)-
(14.29)
(14.29)
Здесь £)(/)-тепловая МПФ мишени пирикона: а - коэффициент считывания сигнала, который будет определен ниже.
Включение МПФ в уравнение, определяющее чувствительность, кажется на первый взгляд странным. Для обычных видиконов чувствительность определяют, освещая всю чувствительную площадь равномерно или проецируя на нее изображение столь крупномасштабной миры, что все компоненты МПФ равны единице. Такой подход не
годится для пириконов. которые чувствуют только изменения изображения. При работе с модулятором ток сигнала является функцией частоты модуляции, тока пьедестала и пространственной частоты миры. В режиме панорамирования ток сигнала зависит от скорости панорамирования. частот электронной развертки и тока пьедестала, а также пространственной частоты миры. В режиме панорамирования на нулевой пространственной частоте чувствительность равна нулю, так что от обычной практики приведения МПФ к единице на нулевой частоте приходится в этом случае отказаться. Отметим, что, сравнивая режим панорамирования и работу с модулятором, авторы работы [9] использовали для описания характеристик пирикона уравнение (14.29). но определяли тепловую МПФ мишени D(/z) так, чтобы получить МПФ = 2 дтя низких пространственных частот в режиме панорамирования.
Уравнение (14.29) содержит также параметр aUP, tp Л* представляющий долю сигнала, которая в действительности считывается электронным пучком. Как уже отмечалось выше [см. уравнение (14.23)], процесс считывания электронным пучком имеет постоянную времени ^в^г' где RB (эффективное сопротивление пучка) определяется квази- максвелловским распределением по скоростям электронов пучка, достигающих мишени, и зависит от потенциала поверхности мишени. Постоянная времени считывания приблизительно равна -R.CT = ^Cr
q 1Рq 1Р(14.30) .
q 1Р
q 1Р
Здесь С, эффективная накопительная емкость мишени по всей сканируемой площади с уютом избыточного сканирования; Тв-эффективная температура пучка для измеренного распределения по составляющей
скорости электронов, перпендикулярной поверхности
НИЙ ток пьедестала на мишени.Р СТИ мишсни; /р-срсд-
Как показано в работе [II]. коэффициент а
мишени пироэлектрического заряда считм«^^ W имеющегося на
(14.31)(14.31)* fz — -^ ^ ^ / а^2г "2кТвС, Р*
(14.31)
(14.31)
Доля считываемого заряда является также функцией пространственной частоты изображения на мишени, хотя при однородной структуре пироэлектрической мишени МПФ, связанная с электронным пучком, обычно намного выше, чем тепловая МПФ мишени, и зависимостью коэффициента а от пространственной частоты можно пренебречь.
Уравнения (14.27) — (.14.29) показывают, что для увеличения пироэлектрической чувствительности следует выбирать материал с высоким пироэлектрическим коэффициентом, низкой удельной теплоемкостью и малой теплопроводностью, а также необходимо сводить к минимуму толщину мишени, чтобы предельно уменьшить как теплоемкость мишени. так и растекание тепла в поперечном направлении. Однако, чтобы максимизировать а, емкость накопления заряда Сг должна быть также малой, что устанавливает нижний предел толщины мишени и делает желательным малое значение диэлектрической постоянной. Как показывает рис. 14.47, пироэлектрический коэффициент Р и относительная диэлектрическая проницаемость К для ТГС сильно зависит от температуры материала. ТГС-мишени в трубках фирмы «Филипс» или «Ампе- рекс» в нормальных условиях работают при температуре около 40 С, в то время как в камерах производства Великобритании или Франции предусмотрена работа мишеней трубок при температурах от 30 до 35 С.
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45Температура, °C0 5 10 15 20 25 30 35 40 45Температура, °CНа рис. 14.48 представлены данные о зависимости относительной Диэлектрической проницаемости материалов ТГС, ТГФБ и легированного ТГФБ от температуры мишени. На рис. 14.49 приведены данные о чувствительности, которая пропорциональна пироэлектрическому ко-
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45
Температура, °C
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45
Температура, °C
Рис. 14.47. Зависимости пироэлектрического коэффициента Р и относительной диэлектрической проницаемости К от температуры ТГС С12].
Р измерено в поляризованном состоянии.
Рис. 14.48. Зависимости от температуры относительных диэлектрических проницаемостей К ТГС (7), ТГФБ (2) и легированного ТГФБ (3) [12].
эффициенту. Наконец, на рис. 14.50 дано отношение чувствительности к диэлектрической проницаемости как некий показатель качества. Видно, что как ТГФБ, так и легированный ТГФБ имеют значительно более высокий показатель качества, чем ТГС, и должны обеспечивать получение изображений картин с меньшими разностями температур, чем это возможно с мишенями из ТГС.
Шумы. Несмотря на то что
Рис. 14.49. Зависимости чувствительности от температуры для мишеней толщиной 30 мкм из ТГС UV ТГФБ (2) и легированного ТГФБ (3) [12].
Те-мпература, °CТе-мпература, °CРис. 14.50. Относительный показатель качества ТГС (/) и легированного ТГФБ (2) [12].
Те-мпература, °C
Те-мпература, °C
ограничиваются неравномерностями пьедестала, иногда называемыми геометрическими шумами, благодаря усовершенствованию технологии изготовления трубок с применением пьедестала, формируемого вторичной электронной эмиссией, и обработки сигнала методом вычитания изображений, устраняющим неравномерности пьедестала, шумы этого типа можно в принципе подавить, так что в качестве принципиального фактора, ограничивающего возможности наблюдателя, останутся шумы системы. Соотношения между отношением сигнала к шуму и возможностями наблюдателя интенсивно исследовались. Соответствующую литературу см. в гл. 18.
Шумы системы для телевизионных камер с пириконами включают дробовой токовый шум пьедестала и шум предусилителя. Фоновые шумы, ограничивающие характеристики сканеров на основе приемников из отдельных чувствительных элементов, здесь относительно не важны, потому что тепловая постоянная времени мишени обусловливает узкую полосу для статистических флуктуаций в потоке фотонов фона.
Механизмы шумов предусилителя были рассмотрены в разд. 14.4. Уравнение, описывающее шум, имеет вид
(4кТ е2 \ 4 *^
^ + ЛЛ + ^Ж ■ (1432)
Здесь /„-среднеквадратичное значение шумового тока, приведенного ко входу предусилителя; ^-сопротивление нагрузки видикона; е„ - приведенная ко входу спектральная плотность шума первого транзистора (В/Гц1/2); A/v-ширина полосы частот видеопредусилителя; С$ шунтирующая емкость со входа предусилителя на землю, включая емкость сигнального электрода видикона и эффективную емкость затвора первого транзистора.
Чтобы обеспечить довольно ограниченную разрешающую способность пирикона (4-5 штр/мм при высоте изображения 18 мм, или от 144 До 180 ТВ-строк на высоту растра) требуется полоса видеоусилителя шириной 2 МГц. Если во входном каскаде предусилителя используются параллельно включенные транзисторы 2N4417, то е„ = 1.2-10 В/Гц , и при Rl = 2-106 Ом и Cs = 14 пФ нулевой ток /„ = 0.214 нА. Таким образом, отвечающий современным требованиям предусилитель должен иметь приведенный ко входу шумовой ток около 200 пА. Чтобы еще
уменьшить эту величину, можно сужать полосу и увеличивать сопротивление нагрузки, платя за это уменьшением разрешающей способности системы.
Дробовой шум связан с током пьедестала, относительно большим средним током электронов, оседающих на мишени даже в отсутствие сигнала. Вообще говоря, для пьедестала, формируемого посредством вторичной электронной эмиссии, существенный вклад дают как статистика электронов вторичной эмиссии, так и дробовой шум пучка. Согласно данным работы [13].
/п = C-qlpAjY'2/п = C-qlpAjY'2Н2 + 8V/28-17Н2 + 8V/28-17= 0,42 нА.= 0,42 нА.(14.33)(14.33)
/п = C-qlpAjY'2
/п = C-qlpAjY'2
Н2 + 8V/28-17
Н2 + 8V/28-17
= 0,42 нА.
= 0,42 нА.
(14.33)
(14.33)
Здесь Н2 = 0,2-фактор, сглаживающий пространственный заряд в пучке; 8= 1.65 - коэффициент вторичной эмиссии; 1Р = 100 нА-ток пьедестала; А/= 2 МГц. Таким образом, в рассмотренном примере дробовой шум пьедестала больше, чем шум предусилителя, и суммарный шумовой ток составляет 0,47 нА. Чтобы уменьшить шум, нужно снижать ток
пьедестала и сужать полосу.
В завершение примера получим оценку ожидаемого тока сигнала для размаха вариации температуры в картине 1 °C. Из уравнения (14.27), принимая значения 1:1 для относительного отверстия объектива и 18 мм для диаметра ТГС-мишени толщиной 30 мкм, работающей при 40 С с пироэлектрическим коэффициентом 8 х 10"8 Кл/(см2 ■ К), найдем ток сигнала Is = 0,75 нА. Таким образом, эквивалентная шуму разность температур в рассматриваемой картине составляет примерно 0,5 К для миры с 1-2 штр/мм в изображении.
Для оценки минимальной разрешаемой разности температур можно использовать, например, подход Розелла для расчета отношения сиг- нал/шум на дисплее SNR0 (см. гл. 18). Справедливо приближенное равенство
(14.34)(14.34)SNRd = (2/^/>//l)1/2SNRV,
(14.34)
(14.34)
где /, = 0,1 с-постоянная времени глаза; Afc = 2 -106 Гц-видеополоса; а-площадь одной полосы миры; А -сканируемая площадь; SNRV-измеряемое отношение сигнал/шум, основанное на усредненном, а не на пиковом сигнале, равное примерно 0,64 SNRr, где SNR^ определено как отношение пикового значения сигнала к среднеквадратичному значению шума.
Для изображения миры с 2 штр/мм на телевизионном растре высотой 18 мм получим, принимая отношение длины штриха к его ширине в штриховой мире равным 10:1,
SNRd= 15,3 SNR„. (14.35) Для обнаружения штриховой миры SNR0 должно равняться по меньшей
мере 3, поэтому пороговое значение SNRV = 0,2. и минимальная разрешаемая разность температур получается около 0,1 К.
Выводы по характеристикам, минимальная разрешаемая разность температур. Описанные в предыдущих разделах измеренные и расчетные характеристики относятся к экспериментальным пириконам в экспериментальных телевизионных камерах. В результате усовершенствований трубок и систем были существенно улучшены характеристики, поэтому некоторые прежние данные устарели. Однако новые данные недостаточно обобщены, и приводимые здесь сведения носят предварительный характер. Усовершенствования включают формирование пьедестала посредством вторичной электронной эмиссии, что позволяет увеличить ток пьедестала и повысить долю считываемого сигнала, создание пушек с ламинарным потоком электронов, что снижает температуру электронного пучка и повышает долю считываемого сигнала, использование триглицинфторбериллатных мишеней, имеющих меньшую диэлектрическую проницаемость, и обработку сигнала с вычитанием изображений, при которой сигнал при работе с модулятором удваивается и устраняется влияние большинства неравномерностей мишени (правда, ценой усложнения аппаратуры, так как в этом случае необходима аналоговая память на целый кадр). К тому же, исследования инерционности и влияния человеческих факторов показали явное преимущество работы с модулятором, а большинство прежних испытаний проводилось в режиме панорамирования.
Если сравнить общие характеристики системы, наиболее важной из них оказывается минимальная разрешаемая разность температур ДТразр,
Пространственнее частота, штр/мМПространственнее частота, штр/мМРис. 14.51. Минимальная разрешаемая разность температур АТр,1р в режиме панорамирования.
Пространственнее частота, штр/мМ
Пространственнее частота, штр/мМ
Сплошная линия - теоретические значения, кружки и штриховая линия - экспериментальные. Незачерненные и зачерненные кружки получены при измерениях с относительными отверстиями одтики 1:1 и 1:2 соответственно.
Пространственная частота, штр/ммПространственная частота, штр/ммРис. 14.52. Минимальная разрешаемая разность температур ДГра1р при работе с модулятором.
Пространственная частота, штр/мм
Пространственная частота, штр/мм
Сплошная линия-теоретические значения /-трубка L7999; 2 трубка К8542; З-тоубка L5253; 4-трубка L3628.
так как она учитывает и чувствительность, и МПФ, и шум, и неравномерности приемной структуры. На рис. 14.51 и 14.52 показаны характеристики ДТразр, полученные Уаттоном [9] на однодюймовом пириконе фирмы English Electric Valve Company. В этих трубках используется формируемый ионами газа пьедестал и ток пьедестала составляет всего 2-3 нА. Видно, что при относительном отверстии 1:1 и для миры 1 штр/мм на мишени АГразр составляет для картины в пространстве объектов около 0,7 С в режиме панорамирования и 2,8 °C при работе с модулятором. На рис. 14.53 при 2,75 штр/мм в режиме панорамирования АТр,,,, составляет 0,12 °C. Эти данные были получены в работе [13] с пушкой с ламинарным потоком электронов и тонкой (13 мкм) ТГС-ми- шенью. В работе [7] сообщается о ДТразр = 1 °C для миры 7,5 штр/мм при использовании техники обработки сигнала с вычитанием изображений. Данные получены с пириконом Thomson CSF ТНХ 840 с пьедесталом на ионах газа и током пьедестала около 30 нА в режиме работы с модулятором. В работе [7] не указаны другие значения АТразр, но приведенные ЧКХ указывают, что сигнал на 2 штр/мм должен быть по меньшей мере в 10 раз выше, чем на 7,5 штр/мм, и. следовательно, ДТразр будет составлять около 0,1 С. Все упомянутые здесь данные о Д7разр получены с относительными отверстиями оптической системы 1:1- Результаты хорошо согласуются с оценкой в 0.1 К. данной в предыдущем разделе. Заметим, что данные в работе [7] получены не по обычной штриховой мире, а по клиновидной штриховой части испытательной таблицы, и приведенные здесь экстраполированные данные о ДТрезр не так точны, как непосредственно измеренные.
Рис. 14.53. Минимальная разрешаемая разность температур ^Т^ в зависимости от пространственной частоты.
Пьедестал в пириконе создавался повторим ной электронной
средством эмиссии.средством эмиссии.Пространственная частота., число
средством эмиссии.
средством эмиссии.
ТВ-строк на высоту картины
Наконец, мишени из легированного ТГФБ (рис. 14.54) дают значение ДТра1р = 0,07 °C при 2,75 штр/мм (100 ТВ-строк на высоту растра) [12]. Показательно, что при переходе в выборе материала мишени от ТГС к ТГФБ ДТра1р уменьшается на числе ТВ-строк 250 более чем вдвое: от 1 °C до величины менее 0,5 °C. Эти данные были получены в режиме панорамирования с током пьедестала порядка 100 нА для экспериментальной трубки, в которой использовалась пушка с ламинарным потоком электронов и тонкая мишень из легированного ТГФБ. С синхронизированным модулятором и обработкой сигнала с вычитанием изображений эта трубка давала хорошее телевизионное изображение картины с разностями температур 1 °C.
Этот раздел завершается данными, относящимися к пирикону S49XQB 1} фирмы «Амперекс» (табл. 14.5 и рис. 14.55-14.59). В этой отработанной до промышленного выпуска трубке используется ТГС- мишень и формируемый вторичной электронной эмиссией пьедестал. Трубка имеет пушку с ламинарным потоком электронов, обеспечивающим низкую эффективную температуру пучка, и в режиме панорамирования может воспроизводить изображение при 2 штр/мм с ДГразр менее
0,1 °C.
Материалы пироэлектрических мишеней. Большая часть пироэлектрических мишеней сделана из монокристаллических материалов: тригли- Цинсульфата (NH2CH2COOH)3 H2SO4 и триглицинфторбериллата (CH2NH2COOH)3 H2BeF4. Эти кристаллы могут быть легко получены
S58XQ в июле 1977 г.S58XQ в июле 1977 г.*> Обозначение S49XQB было заменено на
S58XQ в июле 1977 г.
S58XQ в июле 1977 г.
Таблица 14.5. Общие характеристики пирикона S49XQB“‘ [14]
Характеристики
Значения
Характеристики
Значения
Механические
Оптические
Фокусировка
Магнитная
Размеры полезной
Круглая мишень
Отклонение
Магнитное
площади мишени
Размеры сканируемой
диаметром 18 мм 24 мм х 18 мм
Колба
Т8
площади растра с со-
Цоколь
EIA № Е8-11 61
отношением сторон
Масса
71 г
ч. J
Размеры изображения
Рабочее поло-
Любое
диаметр
18 мм
жение
площадь
2,54 см2
Вспомогательное оборудование
Цоколь
Cynch № 8VT
Среднее значение ве-
1,0
или эквивалент-
личины гамма переда-
ный
точной характеристи-
Комплект фо-
Amperex АТ! 116
ки
Диапазон спектраль-
2-40 мкм в зави-
кусирующих и ОТКЛОНЯЮЩИХ
или эквивалентный
ной чувствительности
си мости от мате-
катушек
риала входного
Электрические
окна
Нагрев
Косвенный, переменным или пос-
Максимальный коэффициент отражения
0,3 (оптимизирован на диапазон
тоянным током
торцевого окна и ми-
8-14 мкм)
напряжение
6,3 В + 10%
шени
Максимальные
ток
100 мА (макси-
абсолютные (пас-
мальный), 0,5 Вт
портные)
Емкость
на катоде
Напряжение на сетке, В
от мишени
3-5 пФ
4
7
500
ко всем дру-
2
Разность потенциалов
300
гим электродам
350
Потенциал сетки 1 при запи-
-10 В
сетка 4-сетка 3
Потенциал сетки 1 от-
350 В
рающем напря-
носительно катода, В
жен ии 300 В на
положительный
10-30
сетке 2
отрицательный
80
Максимальный размах бланки-
100 В (минимальный)
Разность потенциалов
рующего на-
катод-нагреватель, В
пряжения на
положительный раз-
125
сетке 1
мах
отрицательный раз-
—120 (макси-
Ток сетки 1 при
3 мА
мах
мальный)
нормальном
1ок катода
3 мА
значении тока
Время нагрева
1 мин (минималь-
пучка
ное)
Потенциал мишени
-50 В
Рабочая температура окни
+ 40 С
Продолжение таблицы 14.5
Характеристики
Значения
Характеристики
Значения
Внутренний по-
Следует опреде-
Внутренний подогрев
Следует опреде-
догрев мишени
лить
мишени
лить
рабочие
Функциональныее)
Напряжение. В
0 (прямой ход
Амперваттная
5 мкА/Вт
катод
чувствительность
[22 мкАДВт см2)]
развертки)
(режим панорамиро-
— 70 (обратный ход развертки)
вания)
сетка 1
+ 10 (прямой ход
Температурная чувст-
3 нА/ "С
развертки)
вительность (макси-
— 50 (обратный
мальная, в простран-
ход развертки)
ве объектов)
0,3 С при 150
сетка 2
300
АТр^р
сетка 3
300
ТВ-строках
сетка 4
440
300 ТВ-строк
мишень
-10
Предельное разреше-
ние
Ток пьедестала
100 нА
Глубина модуляции при 150 ТВ-строках
30%
Температура входного окна
30. ..40 °C
Инерционность (сигнал 20 нА)
25%
остаточный сигнал через 50 мс
50%
Внутренний по-
Следует опреде-
Равномерность чувст-
догрев мишени
лить
вительности (от центра к краям) Равномерность тока пьедестала (изменение от центра к краям) Срок службы
10%
1000 3000 ч
ИК-области спектра
” Пирикон типа S49XQB фирмы «Ампсрскс» чувствительная в передающая телевизионная трубка в видиконовом баллоне диаметром 25,4 мм. В качестве материала мишени используется тонкий слой ТГС. Входное окно обычно просветляется на желаемый спект^Мльпый диапазон в области длин волн 2 400 мкм. Трубка работает при комнатной температуре, как с модулятором, так и в режиме панорамирования.
6) Electronic Industries Association. Washington, DC.
*’ Режим панорамирования; относительное отверстие оптики 1:1; температурный контраст в пространстве объектов (в рассматриваемой картине) 10 С: источник-абсолютно черное тело с температурой 300 К; максимальный ток пьедестала 100 нА.
выращиванием из раствора, образованного в‘ Р^ЛЬ™С00тВетст^^ го раствора глицина (аминоуксусноипоследующим выпари-
количеством серной или бериллиевом^достигнуть пересыщения, ванием растворителя или охлаждением,которые представ-
Оба материала образуют моноклинные р я п0 моноклинной оси ляют собой ферроэлектрики, т.е. их п ря обнаруживает
b под действием приложенного электрического поля
UU1,21,21,01,00,2-0,2-_ 0,8ОД_ 0,8ОД
U
U
1,2
1,2
1,0
1,0
0,2-
0,2-
_ 0,8
ОД
_ 0,8
ОД
мая разность температур //3peiuae-
ТГФБ (J) при /, Лот нА Р°ВаНН0Г0 ™Р= ^ „; теГм""“ панорамирования при скорости^ ^*Нм на диаметр мишенЛ ..oZT,!^^
0^—1—J1।|
100 150 200 250 300 350 Е^Нкт№ннм частота, число ТВ-строк на высити картины 9
д Р ре ние характеристика paip ■
II h" П
^
350 Площадь цзоб.
'ноя
50 -
ию 150 100
10
8
6
4
2,4 с/л Сп^иРУ?*,М площадь
^0.10
ДГразр, °C
s'
I1
1,0
а 0,8
Л?*
мил и*8 см
о!
О 50 Число ТВ
Оланируел,сщ ^^ДЛризддь
L^ 15°2оо~_^5^50
рок на Высоту картины
Рис 14 56- Типичная ЧКХ [14].
Гдива !4
О,Омане.О,Омане.г-0,120•г-0,120•910910Рис. 14.57. Габаритный чертеж трубки S49XQB (размеры в дюймах) [14]. /-нить накала; 2 сетка 1; 3-сетка 4; 4 -свободный; 5-сетка 2; б-сетка 3; 7-катод; 5-нить накала; 9-короткий фиксирующий штырек; 10 8 штырьков диаметром 0.050 + 0,002.. .0.004. os сигнальный электрод мишени; S - короткий фиксирующий штырек. Примечания: 1) типичная толщина входного окна 2 мм. показатель преломления 4,0 (германий); 2) максимальное расстояние от внутренней поверхности окна до мишени 0.25 мм; 3) для входных окон не из германия или для диапазонов длин волн, отличных от 8-14 мкм, указанные размеры могут меняться.
О,Омане.
О,Омане.
г-0,120•
г-0,120•
9
10
9
10
петлю гистерезиса (рис. 14.59, д), и материал остается поляризованным, когда приложенное электрическое поле возвращается к нулю. Этим материалам присуща собственная поляризация, что связано с асимметрией элементарной ячейки их кристаллической структуры, но в статических условиях этот эффект внешне не проявляется, потому что появ- ляющиеся на грани, перпендикулярной оси поляризации, несбалансированные заряды быстро нейтрализуются зарядами, проходящими (ввиду наличия проводимости) через объем или по поверхности кристалла. Спонтанная поляризация сильно зависит от температуры, и когда температура меняется, на гранях кристалла появляются заряды, кото-
Пространственная частота., число ТВ-строк на высоту картиныПространственная частота., число ТВ-строк на высоту картиныРис. 14.58. Минимальная раз- решаемая разность температур ДГр11р в зависимости от пространственной частоты.
Пространственная частота., число ТВ-строк на высоту картины
Пространственная частота., число ТВ-строк на высоту картины
Ток пьедестала 80 нА, скорость панорамирования 0,2 см/с.
рые можно измерить, приложив электроды, или обнаружить с помощью сканирующего электронного пучка. Петля гистерезиса показывает, что структура может быть каким-либо образом поляризована в любом направлении, и прежде чем использовать монокристалл в телевизионной передающей трубке, его надо поляризовать, прикладывая к мишени электрическое поле, чтобы все векторы поляризации ориентировать в одном направлении. Кристалл ведет себя, как ферроэлектрик, только ниже некоторой переходной температуры Тс, которая называется точкой Кюри по аналогии с такой же точкой для ферромагнитных материалов.
На рис. 14.59,6 показаны зависимости спонтанной или остаточной поляризации от температуры для ТГС, ТГФБ и триглнцинселенида. Крутой наклон кривых как раз и требуется для восприятия инфракрасного изображения.
Как указывалось в предыдущих разделах, для обеспечения максимальной эффективности считывания сигнала накопительная емкость пироэлектрической мишени должна быть малой, чтобы данный сигнальный заряд приводил к максимальному размаху потенциала поверхности. На рис. 14.47 приведена кривая относительной диэлектрической проницаемости ТГС как функция температуры. Как пироэлектрический коэффициент, так и диэлектрическая проницаемость ниже точки Кюри увеличиваются с ростом температуры, и наилучшее сочетание высокой чувствительности и достаточно малой емкости получается примерно при 40 С.
Исследованы или исследуются и другие материалы, пригодные для использования в качестве мишеней пириконов. Значения пироэлектрического коэффициента, удельной теплоемкости и другие характеристики некоторых из этих материалов приведены в табл. 14.6. На выбор материалов, кроме их тепловых и электрических свойств, сильное влияние оказывают стойкость и неизменность свойств материалов при оораоотке при повышенных температурах, а также их стабильность
CL
в
I
Q 2,5
2,0
1,5
1,0
0,5
40
20
3,5
§ 3,0
со
^4,0
о о
Температура,
температуры для предварительно поляризован» t нинселената (3) [15, 16].
242242Передающие телевизионные труоки
242
242
Таблица 14.6. Свойства некоторых материалов, подходящих для использования в качестве мишеней пириконов _
Материал
Допустимая толщина мишени d. мкм
p 6)
7d
Относит.
ДИЭЛ.
ЛрОИН- цае-
МОСТЬ Е
Пьедестал “’
Совместимость с вакуумом
Эксплуатационные свойства
К 10'3 см2/с
Точка Кю^и,
ТГС •’
3
10.6
80 I.
S. R
Плохая
Хорошие
3,0
49
ТГФБ
3
4.0
15 1.
S. R
»
Плохие
3.0
70
LiTaO3
3
1.4
45 I,
S, R
Хорошая
Хорошие
12.0
618
Pb5Ge3O11
3
1,4
40 1,
S, R, С
»
Плохие
>3,0
178
(легиров.)
Pb$Ge3Ou
3
4.0
100 I,
S, R
»
Хорошие
>3.0
80
PBZT
3
4.0
300 I,
S, R. С
»
»
>3.0
200
pvf2
0.6
2,5
15 1.
S, R
»
»
0,5
(80)
11 Для ТГС пироэлектрический коэффициент Р = 8 ■ КГ8 Кл - см 2 ■ К 1 и теплоемкость с’» 2,50 Дж ем'3 К-1.
61 Для получения высоких функциональных характеристик Р/сd должно быть велико, а е н К - малы.
* Пьедестал, создаваемый посредством ионов газа (I), вторичной электронной эмиссии (S), пилообразного напряжения (R), электрической проводимости (С).
° К - коэффициент температуропроводности.
в вакууме. Наиболее многообещающим материалом представляется ТГФБ, но продолжаются исследования и различных керамических и полимерных пленок в надежде получить еще лучшие свойства.
ТРУБКИ ДЛЯ СПЕЦИАЛЬНЫХ ПРИМЕНЕНИЙ
И ТРУБКИ, ПРЕДСТАВЛЯЮЩИЕ ИНТЕРЕС В ИСТОРИЧЕСКОМ ПЛАНЕ
Термикон, болометрический видикон
Сильно зависящий от температуры -темновой ток видиконов с фотопроводящей мишенью, описанных в разд. 14.3, при увеличении напря- жения мишени возрастает до величин того же порядка, что и возбужденный фотонами сигнальный ток. Одним из наиболее удачных в ряду приборов, использующих эффект фотопроводимости для получения изображения в ИК-области спектра, был термикон фирмы «Вестингауз», представленный иа рис. 14.60. Мишень изолировалась от массивной теплопроводящей торцевой пластины путем использования одной из двух структур, показанных иа рис. 14.61, а и б. В мишени губчатой структуры тонкое губчатое покрытие Sb2S3 наносилось испарением в вакуумной камере через газообразный аргон при низком давлении на охлаждаемое прозрачное для ИК-лучей торцевое окно. Предполагается, что в пространстве между электрически нагреваемой лодочкой, со дер-
Рис. 14.60. Схема термикона фирмы «Вестингауз».
/ инфракрасный тест-объект; 2 инфракрасная оптическая система; 8-К источнику питания мишени; 4ви- дсопредусилитель; 5 - пропускающее инфракрасное излучение окно; 6 теплоизолированная мишень; 7-слой золотой черни, действующий как поглотитель и сигнальный электрод, 8-видикон с отделенной сеткой; 9-сопротивление полупроводникового слоя уменьшается с увеличением температуры, что приводит к модулированию тока мишени.
и подложкой испаряемые молекулы испытывают мно-
Sb2S3,Sb2S3,жашейжество соударении друг сжашейжество соударении друг с„ подложкойатомами аргона в процессе этих
Sb2S3,
Sb2S3,
жашей
жество соударении друг с
жашей
жество соударении друг с
-^ молекулы Sb2S3. очевидно^^ ^ “ образуя перед нанесением в°™“ ВРГО несколько процентов плот- "2=—"dr ■" —■
часть ИК-излучения,часть ИК-излучения,=. = жяуяз. ■ ■ - - -
часть ИК-излучения,
часть ИК-излучения,
Падающее инфракрасное излучение
а
Рис. 14.61. Две структуры мишенеи термиконов.яции от годного окна
а-в мишени термикона с W6”™®^
чувствительных к изменениям те ра. ур^ использусмая как осн и низкую тепло- н°стью; б-тонкая нитроцеллю^пмеет низкуЮ героем ^входное окНО;
главным образом в охлаждае““ оа^ении. / прозрачное для У иЯ и сигнальным проводность в поперечном Hanpa^v^111HH поглотителем ИК-из у ^-тепдонзоли- 2-губчатый слой золотой черни,полупроводниковый ' плевка,
электродом; 3 - болометрическин„„шеш нвтроиеллюлозкад гь а
рующий слой (губчатое покрытие), J
прошедшего сквозь торцевое окно, и чтобы благодаря достаточной электрической проводимости служить сигнальным электродом. Пленка золотой черни простирается до края пластины, где покрывает нанесенное испарением металлическое контактное кольцо. Поверх золотой черни наносился еще один губчатый слой таког о материала, как Sb2S3, AS'S3 или GeTe. Такая трехслойпая мишень становится затем составной частью видикона. Слой золотой черни имел положительное относительно катода электронной пушки смещение от 20 до 40 В, и свободная поверхность готовой мишени сканировалась электронами, обеспечивая примерно равномерное смещение. Когда на поверхность золотой черни фокусировалось инфракрасное изображение, в результате поглощения излучения в черни возникала соответствующая картина изменений тем
пературы. и вследствие проводимости нагревался и верхний слой. Это вызывало соответствующее изменение удельной проводимости, что в свою очередь модулировало темновой ток. обеспечивая накопление изображения на сканируемом слое, которое затем считывалось сканирующим пучком для формирования видеосигнала. Мишень губчатой структуры вначале использовалась в трубках, работающих при температуре окружающей среды.
позади торцевого, Инфракрасное изображение фор-позади торцевого, Инфракрасное изображение фор-На рис. 14.61 показан также другой вариант структуры. Тонкая закрепленная по краям нитроцеллюлозная пленка натянута на металлическое кольцо, как кожа на барабан. Пленка служит механической опорой для поглощающих и чувствительных к изменениям температуры слоев. На поддерживающую пленку наносится испарением покрытие из золотой черни, которое, как и прежде, образует и поглощающий ИК-излучение слой, и сигнальный электрод. Затем поверх золотой черни наносится чувствительный к изменениям температуры губчатый слой Sb2S3 или другого сходного материала. Сформированная таким образом мишень монтировалась внутри трубки видикона пропускающего ИК-излучение окна.
позади торцевого, Инфракрасное изображение фор-
позади торцевого, Инфракрасное изображение фор-
Рис. 14.62. Вольт-амперная характеристика мишени термикона WX4562, работающего при комнатной температуре с объективом, покрывающим диаметр мишени 18 мм.
Прямая линия - зависимость I = const - V ;.
^ 10'* КГ3 КГ"6 КГ* 110^ Облученность на входном окне, Вт!смг^ 10'* КГ3 КГ"6 КГ* 110^ Облученность на входном окне, Вт!смгРис. 14.63. Характеристики инфракрасных передающих телевизионных трубок типа «терм и кон».
^ 10'* КГ3 КГ"6 КГ* 110
^ Облученность на входном окне, Вт!смг
^ 10'* КГ3 КГ"6 КГ* 110
^ Облученность на входном окне, Вт!смг
мировалось на слое золотой черни, и излучение поглощалось, вызывая образование картины соответствующих изменений температуры. Это в свою очередь приводило к изменениям проводимости верхнего слоя
и образованию зарядового изображения, которое стиралось и считывалось электронным пучком. Этот вариант построения мишени использовался в первую очередь в конструкциях, которые охлаждались ниже температуры окружающей среды, чтобы увеличить чувствительность. Отметим, что в обоих случаях энергия фотонов ИК-излучения была слишком малой для преодоления запрещенной зоны в полупроводнике, ширина которой составляла 1,6-1,9 эВ, и возбуждения электронов, однако возникали термически возбужденные свободные носители.
Измеренные характеристики трубок типа «термикон» показаны на рис. 14.62-14.64. Термиконы были смонтированы в видиконовых трубках диаметром 25,4 и 50,8 мм с магнитной электростатической фокусировкой. а также с электронным умножением отраженного пучка на выходе в некоторых трубках большего размера. В табл. 14.7 приведены обобщенные по результатам нескольких исследователей характеристики трубок диаметром 50,8 мм и размером по диагонали 40 мм сканируемого участка мишени. Поглощающая тепло мишень из золотой черни паихроматична. На рис. 14.63 приведены передаточные характеристики
Рис. 14.64. Реакция передающей телевизионной трубки термикон на прямоугольную волну.
Источник абсолютно черное тело с 500 К; кремниевое входное окно;
диаметр мишени 40 мм. Штриховая линия-реакция на синусоидальную волну в виде гауссоиды со среднеквадратичным отклонением 215 мкм.
Таблица 14.7. Характеристики термиконов по данным измерений
Характеристика
Значение
Температура мишени Диаметр трубки Диаметр мишени Емкость мишень-экран Поглотитель излучения Чувствительный слой
15...30 °C
51,3 мм
40 мм
10 пФ
Золотая чернь
Полупроводник или термисторный поглотитель
Чувствительность термистора
Постоянная времени реакции на сигнал Тепловая постоянная времени
Электрическая постоянная времени Потенциал мишени
Фактор темнового тока
Спектральная чувствительность
Эквивалентная шуму облученность на входном окне (стандартный ТВ-растр)
Отношение сигнал-шум (пик сигнала к среднеквадратичному шуму)
Максимальная облученность на входном окне6’ Минимальный диаметр элементарной ячейки Мощность, эквивалентная шуму, на одну ячейку Минимальное разрешение в изображении Реакция на прямоугольную волну
^R^R^T^ = 23% К"1 15 мс
11 мс
11 мс
15...35 В
6,3-10" 4 мкА/В2
Irtran81: 2 или 4
1.6- 10~4 Вт/см2
100
Вт/см2
180 мкм
10 7 Вт
штр/мм
50% при 2 штр/мм
10% при 5 штр/мм
Эквивалентная шуму разность температур ДТ при относительном отверстии оптики 1:1 и температуре рассматриваемой картины 300 К
5% при 6 штр/мм
1,2 °C
#> Зарегистрированная торговая марка Eastman Kodak Company.
61 Для предотвращения повреждений при высоком уровне засветки рекомендуется использовать фильтр, отсекающий область длин волн короче 8 мкм.
сигнала в виде зависимости отношения сигнала к среднеквадратичной величине шума от облученности на торцевом окне. Чувствительность в исследованном диапазоне линейна с эквивалентной шуму облученностью около 2-10 4 Вт/см2. На рис. 14.64 представлена характеризующая разрешающую способность термикона зависимость относительной чувствительности к прямоугольной волне от пространственной частоты. Предельное разрешение составило 4-5 штр/мм, или 200- - В-строк на высоту растра, но из-за наблюдавшегося во многих трубках влияния неравномерностей мишени имело в этих трубках меньшие значения.
Неравномерности-принципиальный фактор, ограничивающий общие характеристики термиконов. Хотя термикон — чувствительное к температуре устройство и мишень работает при комнатной температу- в процессе сканирования и считывания распределение локальных
При установке высокой контрастности: Максимальная яркость дисплея
Минимальная яркость дисплея
Все сигналы Все сигналыВсе сигналы Все сигналыв этом Полезный в этом диапазоне диапазон диапазонев этом Полезный в этом диапазоне диапазон диапазонеРис. 14.65. Повышение контрастности изображения посредством регулировки наклона передаточной характеристики.
Все сигналы Все сигналы
Все сигналы Все сигналы
в этом Полезный в этом диапазоне диапазон диапазоне
в этом Полезный в этом диапазоне диапазон диапазоне
/-насыщение яркости дисплея; 2- передаточная характеристика при нормальной контрастности; 7 - передаточная характеристика при высокой контрастности.
неравномерностей проводимости на мишени воспринимается как мера температурных неоднородностей. Небольшие неоднородности толщины или плотности болометрического слоя либо смещения на слое из-за неоднородностей в электронной оптике могут менять от точки к точке плотность фонового тока. Контрасты в тепловом изображении очень низки, и чтобы обеспечить воспроизведение изображения на достаточно высоком уровне контрастности, отвечающем требованиям наблюдателя, нужно дополнительно предусмотреть регулировку усиления видеосигнала или контраста и иметь возможность устанавливать уровень фона и яркости (рис. 14.65). Таким образом, изменение сигнальных токов по мишени термикона в очень небольшом диапазоне обусловливает изменения яркости на экране дисплея от уровня черного до максимума. Стало быть, влияние неравномерностей тока на мишени в некоторых трубках сильно выражено и проявляется в том, что некоторые участки на дисплее становятся слишком темными и отдельные детали изображения маскируются. В таких условиях динамический диапазон ограничивается дисплеем и можно получить удовлетворительные изображения, если ввести электрическую память на целый кадр, чтобы посредством вычитания изображений избавиться от неравномерностей чувствительного элемента. Современная техника позволяет сравнительно легко ввести такую память, обеспечивая оптимальные условия получения тепловых изображений тепловизионными камерами, в которых используются И пириконы, и ириконы, И видиконы с охлаждаемыми германиевыми мишенями.
Ирикон, видикон с охлаждаемой мишенью из РЬТе
Теоретически видикон можно сделать чувствительным к ИК-излу- чению. просто заменив работающую в видимом свете мишень из Sb2S3 на мишень из более узкозонного материала. Однако чтобы обеспечить возможность накопления изображения в течение всего кадра необходимо сопротивление по сканируемой поверхности мишени порядка 108 Ом при рабочей температуре мишени, определяемой фоновым излучением, попадающим на мишень как через объектив, так и от различных частей корпуса прибора, электродов и стенок сосуда трубки. Это соответствует удельному сопротивлению 1012 Ом см; такую величину трудно реализовать даже на материалах для видимой области с большей шириной запрещенной зоны. В ходе длительных исследований, проведенных фирмой RCA, был исследован ряд материалов, в том числе сульфид свинца, селенид свинца и пористый амфорный теллурид свинца, полученный испарением в атмосфере инертного газа при низком давлении. Высокое удельное сопротивление обеспечивается вследствие низкой подвижности носителей, чему способствует пористая структура, которая увеличивает существенную для электрической проводимости эффективную толщину слоя. Два типичных ирикона фирмы RCA на теллуриде свинца показаны на рис. 14.66 и 14.67. В первом с маркировкой С23105, ток сигнала образуется непосредственно в мишени и используется электростатическая фокусировка, а отклонение пучка электронов также осуществляется электрическим полем. Электронная пушка внеосевая, так что прямое излучение от нагретых электродов вблизи термокатода не может попасть на мишень. Диаметр трубки 3,5 см, длина-примерно 17 см. Она работает в дьюаре из нержавеющей стали с жидким азотом, внутренние электроды охлаждаются посредством холодопроводимости. Вторая трубка, С74012, может использоваться с сигнальным током, получаемым либо непосредственно с мишени, либо с усиливающим информацию о сигнальном токе внутренним умножением вторичных электронов, работающим на отраженном электронном пучке.
Рис. 14.66. Ирикон C23I05 фирмы RCA с электростатической системой непосредственного считывания, паяными электродами и внеосевой электронной пушкой [4].
/-мишень (фотопроводник); 2-электрод G-7; 3-электрод G-6;
4-тепло проводящее кольцо; 5-область отклонения луча; б-электрод
7 электрод G-4; 8-электрод G-3; 9-полюса электромагнита, обеспечивающего отклонение пучка; 10-внеосевой катодный узел.
Рис. 14.67. Ириков С74-12 фирмы RCA [4].
Магнитная система фокусировки и отклонения пучка с инвертированным электронным умножителем. Г проводящая сапфировая пластина; 2-отклоняющие катушки (поле 1 оси); 2-мишень (фотопроводник); 4 -вывод катода; 5-коллектор; 6 предусилитель; 7 юстировочная катушка (поле 1 оси); 8 фокусирующее поле постоянного тока (поле |] осн).
Рабочая температура чувствительной поверхности в обеих трубках была ниже 100 К, что легко обеспечивалось при охлаждении трубки и оправы объектива жидким азотом. На рис. 14.68-14.71 приведены характеристики трубки «ирикон» диаметром 3,5 см с электростатической фокусировкой, полученные по стандартной методике испытаний инфрак расных передающих телевизионных трубок. Эти результаты правомерно сравнивать с характеристиками трубок, приведенными в Разд. 14.6.1 и 14.6.3, но не в разд. 14.5, так как приведенные в нем данные получены по методике испытаний, от которой ныне отказались, по гому что она находится в противоречии с принятыми в промышленности для телевидения в видимой области спектра стандартными методами и дает заниженные значения отношения сигнала к шуму.
Графики на рис. 14.68 и 14.69 показывают, что сигнальный ток ирикона на теллуриде свинца следует зависимости Is -~ h или
Рис. 14.68. Передаточная
ха-
ла- рактсристика ирикона на тел- луридс свинца РЬТе с электростатической системой непосредственного считывания [4].
Длина
волны
излучения 3,2 мкм; . температура объектива 235 К. температура фильтра 297 К. Характеристика следует зависимости /$ ~ E°*s.
/5 = ЮО нА;
Рис. 14.69. Передаточная характеристика ирикона на теллуриде свинца РЬТе с электростатической системой непосредственного считывания.
Длина волны излучения 1,5 мкм: ISL = 100 нА; охлаждаемый полосовой фильтр 1,0-2,0 мкм: неохлаждаемый узкополосный фильтр 1.5 мкм при (297 К). Характеристика следует зависимости 1$ - £° л.
Мощность сигнала A,HS. ВтМощность сигнала A,HS. Вт
Мощность сигнала A,HS. Вт
Мощность сигнала A,HS. Вт
Рис. 14.70. Влияние на мощность сигнала площади накопительного элемента ирикона на теллуриде свинца РЬТе с электростатической системой непосредственного считывания [4].
Условия, при которых были получены данные: Р* = 1,5-10"9 Вт; А, = U ‘ 1° см2: X = 3,2 мкм: ^/^ = 1; объектив не охлаждался, /-при постоянном Vs/V„;
2-при постоянном ЕТ.
h QOQ hIs<1^h QOQ hIs<1^Длина, волны, мкл!Длина, волны, мкл!
h QOQ h
Is
<1
^
h QOQ h
Is
<1
^
Длина, волны, мкл!
Длина, волны, мкл!
Рис. 14.71. Спектральная чувствительность ирикона на теллуриде свинца РЬТе при /5 = 100 нА [4].
Рис. 14.71 показывает, что кривая спектральной чувствительности простирается почти до 4 мкм. Максимальная разрешающая способность достигает 500 ТВ-строк на высоту растра, и при использовании оптики с относительным отверстием 1:1,2 можно обнаружить разность температур менее 1 °C. Как и для большинства чувствительных в инфракрасной области спектра видиконов, характеристики ограничиваются скорее неоднородностями изображения, чем шумами.
Видиконы с охлаждаемой мишенью из легированного германия
Видиконы с мишенью из легированного медью германия были разработаны фирмой General Electric (GE) в конце 1950-х годов. Выпускались в небольших количествах некоторые типы трубок и телевизионных камер. В трубке Z-7880 в качестве однородной фотопроводящей мишени использовалась тонкая пластина из монокристаллического германия толщиной около 25 мкм. Это не была диодная структура. Для
Рис. 14.72. Спектральная чувствительность трубки Z-7880 без фильтра.
Рис. 14.73. Спектральная чувствительность трубки Z-788O для прямоугольной волны.Рис. 14.73. Спектральная чувствительность трубки Z-788O для прямоугольной волны.Размеры растра на мишени 15 х 20 мм.Размеры растра на мишени 15 х 20 мм.Рис. 14.74. Влияние на мощность сигнала площади накопительного элемента трубки Z-7880.
Рис. 14.73. Спектральная чувствительность трубки Z-788O для прямоугольной волны.
Рис. 14.73. Спектральная чувствительность трубки Z-788O для прямоугольной волны.
Размеры растра на мишени 15 х 20 мм.
Размеры растра на мишени 15 х 20 мм.
vs/v,n = 3 = const: фон 5,6 -10"6 Вт/см2.
получения чувствительности примерно до 4.3 мкм германий легировался медью. Чтобы устранить длинноволновую чувствительность которая в противном случае продолжалась бы до 30 мкм и далее, вводилась компенсирующая примесь мышьяка. Получившийся примесный фотопроводник имел квантовый выход около Ю’3. но большой фотонный Х^ЛоубТ об0 К УЖе ВЫЗЬ'ВаЛ В видиконе значительный*фоновый бь™> охлаждать до iTa н°РПУС ПРНб°Ра дл\Раб°™ необходимо данные включали а ' ОпУбликованные фирмой GE количественные
3”^^и пРеде;п>ную разрешающую
пучком электронный VMurr сканирование отражающимся электронным статическая э1Лоо^ ”' ВЫХ°Де’ Как в Диконе, и электроизлучение от нагретых чяг-т™Ка ° изл?мом в ходе пучка, вследствие чего мишень не попадало ^^н пушки близ термокатода на охлаждаемую баллона трубки 69.8 мм, “оТиТгб»™^ 2° ММ2’ Д"аМСТР Для жидкого азота который п,7.,Л '4 ТРУбка содержала сосуд пушки „ периферию входного окна На pHT'M^'n”™11 ЭЛектРОННОЙ пая спектральная чувствительность, ?,а рис 14 73 еп "^ °ТН°СИТеЛЬ" °, рис. 14.-спектральная чув-
ТОО
^пМ44'75' ПеРедаточиые характеристики трубки Z-7880 [17]. / фон 6,5-10 8
77®"8 ИГ7 10'6Ю'1«г*Облученность, Вт/смг®"8 ИГ7 10'6Ю'1«г*Облученность, Вт/смгпотенциал мишени 9 В ° В ‘
7
7
®"8 ИГ7 10'6Ю'1«г*
Облученность, Вт/смг
®"8 ИГ7 10'6Ю'1«г*
Облученность, Вт/смг
ствительность для прямоугольной волны, на рис. 14.74-площадь накопительного элемента и на рис. 14.75-передаточные характеристики, которые были линейными. Методы испытаний не соответствовали методам, использовавшимся для испытаний передающих телевизионных трубок, работающих в видимой области спектра, и приведенные в этом разделе характеристики не следует непосредственно сравнивать с данными в разд. 14.5.
Неэлектронные устройства для получения инфракрасных изображений
Если не иметь в виду телевизионные системы, то задача преобразования ИК-изображения в видимое вообще говоря не требует обязательного применения электронных трубок. Здесь приводится описание трех неэлектронных приборов прямого видения для преобразования инфракрасных изображений: эвапорографа, эджеографа и мезоскопа.
Эвапорограф. Принципиальная схема эвапорографа показана на рис. 14.76а. Принцип построения эвапорографа впервые был описан в 1846 г. сэром Уильямом Гершелем. Он использовал его для демонстрации существования полос поглощения в инфракрасной части солнечного спектра. В 1920-х гг. этот принцип был заимствован М. Черни в Германии для построения прибора, предназначенного для регистрации инфракрасных спектров. Много позднее фирма Baird Atomic разработала эвапорографы для наблюдения и фотографирования инфракрасных изображений; некоторые варианты этих приборов имелись на рынке в 50-х-60-х гг. Главная часть прибора — чувствительный элемент эвапорографа (рис. 14.766). Тонкая (5 мкм) мембрана из нитроцеллюлозы натянута на металлическом кольце и служит перегородкой между двумя откачанными до небольшого вакуума камерами. Излучение проходит через первую камеру, и инфракрасное изображение фокусируется на слое золотой черни, нанесенном на переднюю поверхность нитроцеллюлозной пленки. Золотая чернь поглощает ИК-излучение, и нитроцеллюлоза посредством теплопроводности нагревается. Во второй камере поддерживается давление масляных паров путем электрического подогрева находящихся в камере листов промокательной бумаги, пропитанной маслом. Масло конденсируется на стенках камеры, включая мембрану. На холодных поверхностях конденсация происходит быстрее, а на нагретых-медленнее. Для перевода камеры в рабочий режим мембрана сначала нагревается излучением встроенной в~ прибор лампы, чтобы очистить поверхность мембраны от масляной пленки. Затем лампа выключается, и температура мембраны приходит в равновесие с радиационным изображением рассматриваемой картины, сфокусированным оптической системой на мембрану. На поверхности мембраны начинает образовываться масляная пленка, быстрее на более холодных частях
Рис. 14.76а. Принципиальная схема эвапорографа.Рис. 14.76а. Принципиальная схема эвапорографа./-окуляр; 2-70%-ное отражающее зеркало; 3-35-мм фотокамера; 4 стеклянные линзы; 5-линза-коллиматор; б-теплозащитное стекло; 7-подсветка для наблюдения; //-50%-ное отражающее зеркало; 9-дальномер: 10 -матовое стекло; //-прозрачное стекло; /2-стира- ющая изображение лампа (положение в действии); /./-стеклянная линза; 14 затвор; /5-ирисовая диафрагма; /6-фильтр; /7-линза из германия; /tS-передняя часть чувствительного элемента; /9-чувствительный элемент; 20-тыльная часть чувстпи-г»-,^..^-- —
Рис. 14.76а. Принципиальная схема эвапорографа.
Рис. 14.76а. Принципиальная схема эвапорографа.
часть чувствительного элемента: фокусировке ИК-изображения начасть чувствительного элемента: фокусировке ИК-изображения на2/-стирающая изображение лампа (положение при чувствительный элемент).
часть чувствительного элемента: фокусировке ИК-изображения на
часть чувствительного элемента: фокусировке ИК-изображения на
IIРис. 14.766. фа.
I
I
/-входное окно из каменной соли NaCl: 2-мембрана со слоем золотой черни на пеРе,а1“^ поверхности; 3 - передняя часть; 4-резистивный нагреватель; б-промасленная промокател ная бумага; 6-тыльная часть; 7-проводящее стеклянное окно.
картины. Наблюдение осуществляется при освещении пленки белым светом, при котором в результате многократных отражений образуются интерференционные картины, весьма похожие на те, что наблюдаются при наличии масляных пленок на воде. Поскольку цвет зависит от толщины масляной пленки, вид картины меняется со временем, ио в любой момент распределение цветов соответствует распределению температур в рассматриваемой картине. Когда цветовая контрастность оказывается достаточно высокой, делают цветную фотографию, фиксирующую изображение для наблюдения (рис. 14.76а). Масляная пленка может быть затем стерта с мембраны для повторения процесса.
Режим работы, описанный выше, известен как «режим конденсогра- фа». Оказалось, что именно этот режим обеспечивает наилучшую чувствительность к малым разностям температур при использовании эвапорографа фирмы Baird Atomic. В режиме собственно эвапорографа сначала дают образоваться на мембране пленке масла равномерной толщины при закрытом крышкой объективе. Затем на мембрану проецируется более теплая инфракрасная картина, так что температура мембраны возрастает, и с участков, соответствующих более высоким температурам рассматриваемой картины, масло испаряется. Получающаяся интерференционная картина рассматривается или фотографируется, как описано выше. Хотя именно такой режим работы и соответствует первоначальному принципу использования эвапорографа, с прибором фирмы Baird Atomic его применяли редко из-за меньшей чувствительности.
Эвапорографы применялись прежде всего для исследовании распределения температуры в стационарных установках, в том числе температуры соединений и контактов в цепях распределения мощности и переключателях поверхностной температуры изолированных котлов и т. д. Для целей количественной радиометрии эвапорограф не подходит, но пригоден для установления того факта, что какой-либо объект в наблюдаемой картине нагрет сильнее, чем окружающие объекты. Ввиду необходимости стирать чувствительную пленку и затем вновь воспринимать картину изменившегося изображения этот прибор непригоден для наблюдения движущихся изображений. Опытные операторы в состоянии отметить цветовые различия, соответствующие разности температур в рассматриваемой картине 1 С и менее, если после стирания пленки для образования новой, соответствующей изучаемой картине, сравнительно толстой масляной пленки отводится 30 с и более.
Эджеограф. Эджеограф - это преобразователь инфракрасного изображения в видимое с использованием температурного сдвига края полосы оптического поглощения в аморфном селене. В простейшем эджеографе, работающем на пропускание (рис. 14.77), имеется тонкая пленка селена, нанесенная испарением на закрепленную по краю пленку из А12О3 или нитроцеллюлозы; для теплоизоляции все устройство монтируется в вакуумной камере. Наблюдатель рассматривает равно-
мерный желтыймерный желтыйНаблюдатель свет натриевой линииНаблюдатель свет натриевой линииРис. 14.77. Эджеограф. работающий на пропускание.
мерный желтый
мерный желтый
Наблюдатель свет натриевой линии
Наблюдатель свет натриевой линии
/-подложка из Л12О3; 2-слой селена.
мембрану. На ту же многослойную мембрану фокусируется инфракрасное изображение, чтобы на ней возник соответствующий температурный рельеф. Линия D натрия приходится как раз на середину края полосы поглощения селена при комнатной температуре (рис. 14.78). Так как пропускание излучения на частоте D-линии с ростом температуры уменьшается, видимое изображение получается негативным по отношению к инфракрасному.
Работающий на пропускание эджеограф исследовался в Англии до 1955 г. (фирма SERL). Сообщалось, что при использовании оптики с относительным отверстием 1:0,5 удалось обнаружить в рассматри
ваемой картине разность температур 8 °C. Принципиально ограничивающим возможности метода явлением был низкий контраст в результирующем видимом изображении.
Чтобы увеличить контраст, необходимо было найти механизм, позволяющий получить достаточно темное изображение при рассматривании однородного фона. Сотрудниками НИИ Мичиганского университета в 1954 г. был разработан интерференционный эджеограф, который при сохранении основного принципа работы эджеографа обеспечивал получение изображений с высоким контрастом.
Четырехслойная преобразующая изображение мембрана, показанная на рис. 14.79, формировалась на закрепленной по краю поддерживающей пленке из окиси алюминия. Поглощающий инфракрасное излучение слой золотой черни наносился на одну сторону мембраны испарением через атмосферу инертного газа
Рис. 14.78. Край полосы поглощения аморфного селена.
при низком давлении. На другуюпри низком давлении. На другуюПоглощение на длине волны 589 нм при повышении температуры возрастает. У - длина волны света натриевой лампы (589 нм); 2-низкая температура; 3-высокая температура.
при низком давлении. На другую
при низком давлении. На другую
НаблюдательНаблюдательРис. 14.79. Интерференционный эджеограф.
Наблюдатель
Наблюдатель
/ золотая чернь; 2 - подложка из А12 Оэ; 3-золотое зеркало; 4-слой селена; 5 слой, поглощающий ИК-излучепие.
В ВЫСОКОМ аморфногоВ ВЫСОКОМ аморфногосторону поддерживающей пленки наносился испарением вакууме тонкий зеркальный слой золота, а на него-слой
В ВЫСОКОМ аморфного
В ВЫСОКОМ аморфного
селена толщиной 3/4 длины волны. Мембрана рассматривалась в зеркально отраженном желтом свете натриевой линии, падающем строго по нормали. Инфракрасное изображение фокусировалось на слой золотой черни с другой стороны мембраны. Там, где мембрана холоднее, пропускание через слой селена выше и отражения от первой и второй поверхностей частично взаимно уничтожаются, обеспечивая низкий уровень яркости изображения. Там, где слой теплее, что соответствует более высокой облученности в инфракрасном изображении, отражение от второй поверхности уменьшается в результате поглощения в селене и яркость изображения возрастает.
Минимальная разрешаемая разность температур, по сообщениям исследователей из Мичиганского университета, составляла около 10% соответствующей величины, полученной на эджеографе фирмы SERL. Сравнивая данные, относящиеся к этим двум устройствам, и принимая более реалистичные значения относительного отверстия инфракрасной оптики от 1 :0,7 до 1:1. получим для интерференционного эджеографа величину минимальной разрешаемой разности температур 2-3 °C.
Преимуществами эджеографа, очевидно, являются непрерывность работы, сравнительно малая инерционность (порядка миллисекунд), позволяющая наблюдать движущиеся изображения, и легкость помещения устройства в отпаянный вакуумный баллон без необходимости в дальнейшем применять вакуумные насосы. Проблему представляет прецизионный контроль температуры пленки, чтобы край полосы поглощения удерживался на длине волны линии D. Работы в этом направлении построения эджеографов к концу 1950-х годов закончились.
Мезоскоп, инфракрасный прибор наблюдения на жидком кристалле. Определенные холестерические жидкие кристаллы отражают свет в узкой полосе в результате рассеяния света в слое жидкого кристалла. В некоторых из таких мезоформных материалов длина волны максимума отражения сильно меняется в зависимости от температуры пленки. Этот эффект был использован в мезоскопе, неэлектронном преооразо-
Чувствительный слой жидкого кристалла отражает свет в полосе 200 А; соответствующая максимуму отражения длина волны быстро меняется с температурой, /-инфракрасная оптическая система; 2-пропускающее инфракрасное излучение входное окно; 2-поглощающий ИК-излучение слой золотой черни; 4- поддерживающая многослойную структуру нитроцеллюлозная пленка-подложка; 5-нагреватель для регулировки температуры мишени; 6-слой холестерического жидкого кристалла; 7-стеклянное окно, через которое ведется наблюдение; 8 - вакуум.Чувствительный слой жидкого кристалла отражает свет в полосе 200 А; соответствующая максимуму отражения длина волны быстро меняется с температурой, /-инфракрасная оптическая система; 2-пропускающее инфракрасное излучение входное окно; 2-поглощающий ИК-излучение слой золотой черни; 4- поддерживающая многослойную структуру нитроцеллюлозная пленка-подложка; 5-нагреватель для регулировки температуры мишени; 6-слой холестерического жидкого кристалла; 7-стеклянное окно, через которое ведется наблюдение; 8 - вакуум.
Чувствительный слой жидкого кристалла отражает свет в полосе 200 А; соответствующая максимуму отражения длина волны быстро меняется с температурой, /-инфракрасная оптическая система; 2-пропускающее инфракрасное излучение входное окно; 2-поглощающий ИК-излучение слой золотой черни; 4- поддерживающая многослойную структуру нитроцеллюлозная пленка-подложка; 5-нагреватель для регулировки температуры мишени; 6-слой холестерического жидкого кристалла; 7-стеклянное окно, через которое ведется наблюдение; 8 - вакуум.
Чувствительный слой жидкого кристалла отражает свет в полосе 200 А; соответствующая максимуму отражения длина волны быстро меняется с температурой, /-инфракрасная оптическая система; 2-пропускающее инфракрасное излучение входное окно; 2-поглощающий ИК-излучение слой золотой черни; 4- поддерживающая многослойную структуру нитроцеллюлозная пленка-подложка; 5-нагреватель для регулировки температуры мишени; 6-слой холестерического жидкого кристалла; 7-стеклянное окно, через которое ведется наблюдение; 8 - вакуум.
вателе инфракрасного изображения, разработанном фирмой «Вестингауз» для Лаборатории ночного видения армии США.
Как показано на рис. 14.80, тонкая, закрепленная по краю, поддерживающая полимерная пленка с одной стороны покрыта поглощающим излучение слоем золотой черни, а с другой стороны - пленкой мезоморфного жидкого кристалла. Для теплоизоляции мишень заключена в цилиндрический вакуумный баллон, инфракрасное изображение фокусируется на слой золотой черни через окно из хлористого натрия, расположенное с одного торца цилиндра, в то время как слой жидкого кристалла рассматривается через стеклянное окно в другом торце цилиндра.
Используются два способа наблюдения. Если жидкий кристалл освещается белым светом, инфракрасное изображение преобразуется в видимое цветное изображение, примерно как в эвапорографе. Если для освещения применяется монохроматический свет, то сдвиг длины волны, соответствующей максимуму отражения, в зависимости от температуры модулирует интенсивность отраженного света. В обоих случаях прибор должен быть настроен на желаемую длину волны максимума отражения путем регулировки рабочей температуры слоя. Так как для получения хорошей тепловой МПФ сопротивление растеканию тепла в поперечном направлении должно быть высоким, температура мишени определяется радиационным балансом с ее окружением. Оптимальную температуру
можно выбрать заранее, сообразуясь с параметрами материала. Обычно материал с соответствующими параметрами выбирают таким образом, чтобы температура была на несколько градусов выше окружающей. Требуемая температура мишени устанавливается посредством электро- нагрева металлических стенок вакуумного баллона или в некоторых случаях за счет проникающего через смотровое окно тепла от лампы, закрытой фильтром, который отсекает видимый свет.
Мезоморфные слои могут быть очень чувствительны к изменению температуры: спектральный сдвиг может достигать 1000 A/К. Столь высокая чувствительность позволяет обнаруживать разность температур в рассматриваемой картине, измеряемую долями градуса, однако реализация такой чувствительности в мезоскопе оказывается затруднительной, потому что рабочий диапазон температур слоя жидкого кристалла при этом составляет всего несколько десятых градуса. Температура различных участков мишени зависит от излучения рассматриваемой картины, и при значительном отличии температуры последней от температуры мишени будет сказываться виньетирование по краям поля оптической системой. Например, если температура мишени выше, чем температург! картины, то температура в центре мишени окажется ниже, чем пр краям из-за спада облученности изображения, создаваемого объективом, по закону cos4 9. Такого рода проблемы, по-видимому, неизбежны в устройствах, создающих изображение в широком поле зрения, когда сигнал сильно зависит от температуры мишени, а для получения большого угла поля зрения приходится мириться с малыми относительными отверстиями оптики.
Мезоскопы фирмы «Вестингауз», производившиеся в начале 60-х гг., предназначались для тепловидения и для наблюдения лазерного поля в дальней зоне; типичный диаметр изображения составлял 6 см. Однако жидкие кристаллы большего размера были нестабильными, и дальнейшие исследования в этом направлении не дали желаемых результатов. В 70-х гг. сообщалось о возобновлении подобных работ во французском Центре ядерных исследований, однако данных для сравнения результатов, полученных во Франции и в США, недостаточно.
15
ФОТОГРАФИЧЕСКИЕ ПЛЕНКИ
Г. Сьюте11
ВВЕДЕНИЕ
Большинство характеристик инфракрасных пленок и пластинок подобны характеристикам пленок и пластинок для видимой области спектра. Инфракрасная эмульсия воспринимает излучение в ближней инфракрасной области так же хорошо, как видимое и ультрафиолетовое излучение. Параметры инфракрасных фотографических материалов в большинстве случаев выражаются фотометрическими, а не радиометрическими (энергетическими) единицами.
Обозначения, наименования и единицы измерения величин
Обозначения, наименования и единицы измерения величин, использованных в этой главе, приведены в табл. 15.1.
Общие замечания
фильтры Kodak 2)фильтры Kodak 2)С инфракрасными пленками можно обращаться так же, как с обычными фотопленками, однако должны быть обеспечены чрезвычайные меры предосторожности, чтобы избежать случайной засветки инфракрасным излучением. Операции с непроявленными пленками необходимо производить в полной темноте. Определенные виды древесины, эбонит, пластмассы, а также черная бумага прозрачны для излучения в ближней инфракрасной области; таким образом, случайная засветка инфракрасной пленки может произойти, когда используется неподходящий защитный материал. Надежным защитным материалом является металлическая фольга на черной бумаге. Поскольку большинство фонарей для фоторабот испускает инфракрасное излучение, они должны использоваться со специально подобранными фильтрами. Для работы с черно-белыми инфракрасными материалами, за исключением высокочувствительных инфракрасных пленок Kodak рекомендованы защитные фильтры Kodak2) и Wratten номер 7 (зеленый).
фильтры Kodak 2)
фильтры Kodak 2)
Gwynn Н. Suits. Environmental Research Institute of Michigan.
Следующие наименования, используемые в этой главе, являются Т?РГ^' выми марками фирмы Eastman Kodak Company: Aerochrome, Aerographic, D-U. D-19. D-76, DK-50, Eastman, Ektachrome, Estar, Estar-Ah, Kodak, Versamat, Wratten.
Таблица $5.1.
Обозначения, наименования и единицы измерения величин
Обозначение
Наименование или(и) формула
Единица измерения
г
Постоянный коэффициент пропор- -
циональности
Показатель (индекс) контраста; уг-
с *
новой коэффициент прямой линии, проведенной между двумя точками на характеристической кривой, которые обычно соответствуют наибольшему и наименьшему значениям используемой плотности почернения для однотонального черно-белого негатива t
о
Фотографическая плотность1 =
—
= 1g 0 = 1g (т D 1)
г
Освещенность; фотометрическая
лмм '«лк
^D
облученность, световой поток, падающий на единицу площади
Е,дМ
Спектральная освещенность; 6EjcX
лк ■ нм
(лм • м ~2 • нм" ‘ )
Е
Облученность; поток излучения, па-
Вт м 2
Ее.кМ н
дающий на единицу площади, дФ, Спектральная облученность; 6EJ5X
Вт•м"2•нм'1
Экспозиция; интеграл по времени от Е„ или Ее; JE^d1
Дж ■ м
н„
0 Фотометрическая экспозиция; kJ /иХ^.НХ)»»
лк-с
Радиометрическая экспозиция;
$ J E,.Kt.X)dXdl
Джм"2с
к
Максимальная спектральная свето-
ЛМ’Вт'1
Ж
вая эффективность; 683
0
Непрозрачностьа>; г л
СМ2■ЭРГ-1
S
Ч у вст ви тел ьн ость
S(X)
Спектральная чувствительность.
см ■ эрг
№(Х)Г1
с
ИХ)
Время
Относительная спектральная свето-
дх
вая эффективность
Ширина спектрального интервала
нм или мкм
у
Гамма, тангенс угла наклона прямо-
линейного участка характеристической кривой
мкм или нм
X X
Длина волны Центральная длина волны
мкм или нм
р
Коэффициент отражения
р
Средний коэффициент отражения
т
Коэффициент пропускания
262_
Фотографические пленки
Продолжение табл. 15.1
Обозначение
Наименование шш(и) формулаЕдиница измерения
т
Id
Средний коэффициент пропускания — Диффузный коэффициент пропуска-
НИЯ
т(Х)
Спектральный коэффициент про- — пускания
Нижние индексы е г
X
Радиометрические значения—
Фотометрические значения—
Операция взятия частной произвол- — ной по длине волны
11 Все данные, приводимые в этой главе, основаны на значениях диффузной плотности (диффузного коэффициента пропускания).
Дополнительные проблемы возникают, когда инфракрасная пленка используется в аппаратуре, сконструированной главным образом для фотографирования в видимом свете. Положение фокальной плоскости линзы, обозначенное на оправе объектива или на дальномерном устройстве, не соответствует случаю использования инфракрасной пленки. В однообъективной зеркальной камере (типа SLR) видимое на экране изображение не является надежным показателем правильной наводки на фокус. Для более длинноволнового излучения линзы имеют несколько меньший показатель преломления, так что эффективное фокусное расстояние объектива примерно на 0,5% больше, чем фокусное расстояние для видимого излучения. Кроме того, коррекции аберрации, сделанные, чтобы оптимизировать четкость изображения в видимой области спектра, вообще говоря, не являются оптимальными для инфракрасной области. Экспонометры, сконструированные для видимого света, не воспринимают инфракрасное излучение. Следовательно, показания этих экспонометров как индикаторов экспозиции бесполезны, если неизвестен коэффициент перехода от видимого излучения к инфракрасному.
ДОСТУПНЫЕ ИНФРАКРАСНЫЕ ПЛЕНКИ И ПЛАСТИНКИ
Инфракрасные плеики поставляются в виде рулонов (для фото- и кинокамер) и листов; имеются также спектроскопические пластинки и пленки, чувствительные в ближней инфракрасной области. Согласно обзору [I], фирма Eastman Kodak Company-единственный производитель и поставщик такого рода товаров в США, однако по специальным заказам они могут поставляться другими производителями (табл. 15.2). В табл. 15.2 дается краткое описание материалов фирмы Eastman Kodak . Company.
о
,3
X я О СП
5
Я
X
о § я а О X и
S X а I
X
X
е X
S
а
X
Я Cl и
а я X
х о
X —
ЙО I
я
га . к I о
О
х
<и X X <J X я си X
X
V
X X
X X я U
X X X и га с о я ^
V 3 х и я си X я
<з
3-
3
S 1 X
ж и я
X о
О X я о
X о X
V X X я a
X V
к ^ X
5
X и
а
я Си U С
О
X а с
S-S
S о X л г;
<и Я
X
X
<и a
ояО
К^ X S
Л
X
V X
1иоЯ
и * X я
о О я о
и я
X а
С
а
о
га
S S о
га
и
СП
X
>х о I X Си X
3
га и я и га га а я
S о га х V S
о
и и a
О х
X X <и с и
о
>х о X
* и
a I я I X
a
о
V X о я га
a §
a
га я га и Ю
6 X
X а
о х О о л a
о X X я
S га
S 5 X я S
о- S
V х
О
О
-О'
a О Си V
S я
rs
Q
га га х в х я я
S X
«ж 2 о л d
2Q
CuX
Си Я L- 00 о
я X X и
га я X и я си X я Сиг— ^<40
X
О си о х
a я х X
у
с
га га х о
га Q Я и
я
х я си -е-
X X
га
я я
I 5
С
га и
и
я X о га
X
чО
X
X о X
X
о X a и
X я X
Sх
is
X 3
X га х о га
V я X а я о а
a
га о я и га га a
о X о и
о о
га
00
яV)ш
я с
X
о га
2 л я и о X л га и я
X a
га га х СП X
V
Q
га
о
a я Я О0 о и» О <
я X X о
с
га я X о я Си X я
X
и s я X
га и
и
о в
о
о
га о a
о Cl
5х
о X
га
о
О
я а О X ^
« я я о га о
я
V X
а О S
1Х
2 га
Л a
О X X
л
V я X а
S г
X
X
га х х и
га га х Л га и я X a
о X га
a
га и я и « га a
о
га га га <и о
о х а V
а
О X о
о
га га
о
О
га га х a X
га я X о я a X я Cl
X X
я я X я я
’3 3 х л
Я X X <и с О
X X я о X
а
О X о 3 я си X
CU V
о я X га а га х
с
X X X и га с
ш
я с X
V
X >х
X и X
о S
(U а О X о О
я
X
(Л sO
■^Г?
Оч
С X
я а О X
к я X X о
a
О X и я
a X и a с
о я я о
XX 3 х л га я
с и
О'-и
X X о с
о с
о
a и
Sо
и
X о
я
о ”
s 3 х “
S1 5 = си S
S S о
S о X X
S
<Л
X Г"1
S S чО
V
3
сп
х • Оя 2 х
X X 4) га с о я о
V я р
га и
S
я Я V
X
S 8
Xо
3
S х
я a я
X о X о X о о
О га
2
X я X
л о я
к
о о
я . я
х га
СПя
Sо
о
га га
5 X х О о
3 a
л х о
О
ж га х
<У — я га-
и-О a о
2 я
х
° X 2 и
£В
У s g 5 о 5, х си и и ^
V
х X
X
X
я X
so
5
га
о я о
о с
х а У я Си О
3 и
я S X
х 5 о
Си
га га га о
Ю
с
о
о
X
^5
S 5 я л си л и —
-5 )Х я О Я 2
я 2
о х
§^
Я X X V га
gc
га
S х ?-’§
о
о
О
Q
a Я I— 00 о
я X X V га с
га я X и я
га
a О я и a га
X
Си Я я
к
§
я X
X
У
xG
га и и X X я га
я
>хо
X X си X 3
х я
X о га >ч a a
X X я и X с о
Рч
Xя
и га я S х
х a я и a
<и
а ю оО X .
a о я о a
X га V G
си Я о я о
X
х X О
5 гч
V
Е о и л: о О ь- и
5
Е о
1-«
я X
X
V га с
га я
х и я си
х я сиг-<
га х х g с
к я X о я
я ' Си
X
о
и
с о
га х
СП га
6
с
с
О a
га
v
X
6 V)
6 Е о
я и
х 5
х
о Е о и*
я X X у. с
я X
a X я Си -&
X
S
S <и X X я « о
га о с
>х о X о и 3 a
L.
-и
S$ и X га v §$ Ж си я ю _ 5^2 о.х
S22J
Продолжение таблицы 15.2
Наименование и типпродукции фирмы
Характеристики
Примечания
Специальный заказ. Тонкая основа ти па Esta г.Специальный заказ. Сверхтонкая осно ва типа Estar.Специальный заказ. Тонкая основа ти па Esta г.Специальный заказ. Сверхтонкая осно ва типа Estar.Пластинки типа I-Z должны быть ги персенсибилизированы непосредственно перед экспозицией. Особенно важ ное значение имеет охлаждение.Пластинки типа I-Z должны быть ги персенсибилизированы непосредственно перед экспозицией. Особенно важ ное значение имеет охлаждение.
Специальный заказ. Тонкая основа ти па Esta г.
Специальный заказ. Сверхтонкая осно ва типа Estar.
Специальный заказ. Тонкая основа ти па Esta г.
Специальный заказ. Сверхтонкая осно ва типа Estar.
Пластинки типа I-Z должны быть ги персенсибилизированы непосредственно перед экспозицией. Особенно важ ное значение имеет охлаждение.
Пластинки типа I-Z должны быть ги персенсибилизированы непосредственно перед экспозицией. Особенно важ ное значение имеет охлаждение.
Инфракрасная пленка с высокой четкостью изображения Aerochrome-SO- L30*> [7, 10J
Инфракрасная пленка с высокой четкостью изображения Aerochrome-SO- 13111 [7. 10J
Спектроскопические пленки и пластинки [4J:
Тип I-N
Тип I-Z
Тип IV-N
мелкое зерно и очень высокое разрешение, однако низкая чувствительность. Чувствительность до 900 нм.
Эмульсия такая же, как у описанной выше пленки SO-127.
Эмульсия такая же, как у пленки SO-127, описанной выше.
Умеренно высокочувствительная, высококонтрастная, крупнозернистая, с высоким разрешением, jV-тип спектральной чувствительности с границей около 900 нм, максимум чувствительности вблизи 800 нм.
Высококонтрастная, с высоким разрешением, зерна умеренного размера, граница чувстви- гельности около 1.15 мкм. максимум около 1,08 мкм.
Высококонтрастная. менее чувствительная, с очень высоким разрешением, мелкозернистая, спектральная чувствительность JV-типа.
продуктом. Гироду” маркировкой SO являются либо вновь разрабатываемым характеристики специально огов7рнваютсяР г^характеристик^ имеют особенности: I) нх ^”^^^^ ^ ™'' — потребоваться^ ^“^ ^5^™ ^^
.s
о
а
3
О л са св Е св
ел я »: тз
О
ев я
tri
Я
О О
s
hl
X СП о
о
о СП
у>
X п Я О а
ж
о Ж
X X СИ о
л X
О
У
X X
с.
св о
X м
2 о X л
ел
св я
X о
2 х
hi
X
о
X =
л
я о
s
У св
ж
13 to X о х<
to со
* л
У
X у
X
У Я О
о
х
х 1 X
X
<1
со
о
со
ГВ
СП о
Я X ж
я о
X о
у
X о 2
о
G
о
О
о о
х
g
X 13 о X св X X о л о
X я to У St'S
X о V
X я X св Я
13 Ж св 13 to X о
о
Я
я
ГВ
св У
я я У
X X X
О 2 Я л
73 св 13 ГВ Ж св
У
а ГВ
ГВ
X ж
1а X ел о
taX
а я о
to я о
св
X св 3 ж
о
Хе 73
я
13 о
X о 2
3
X У X
о
о св
75 ГР
to
Ес
X о
V
X
О ел тз у а
св
Л
Ж
X у О
to
73 Л
а
о
Vt ь.
о
13
13 св Я Ж СВ
to
У
св я св 13 ж ГВ
3
Е
ГВ
-! о
х
о я
X а
X
13 X
ж
ж
п св ж я я о
о
У X X за
св
X
я
13 св
X X
я я св я X
X о
л
X о
X
X
ел я
1з to Ч У ч л
О9
х х ж
я to
У
св
X
W л
X
о ж
X
X
У X
со св
X
§
8
X
о
о to св
о
о я
ГВ о
о
X о 1а
X я У
Я
о ел
У
1а св
его о
О хе
я У а св
о X у
2 о
* о
X У ж
X о
to Л о -1 о
о Е ГВ 13
Е св л о
о 5 св X X св
о
2
я
св
X о х<
X
X to о я о 13 о X X о х< о
о 73
я св
да
о У
X ГВ о
X to X to Ее
X О
V
я 73 о я
У
X л X X л
и X л я о а
Sio
S
X
св а
X
хS
to св
X 13 о ж св X X с
X § л
я
с я
X я X ГВ
л
13 У 5 Е св л о
С
ГВ а св
У
я
а св
у
я я СР
X
о
со Я о
X
W
W
to X
о
Е S Е л 6
Л X У X X ж
2 о
X л
ГВ X У X X Ж
с
а
to
о
2 с
2
о
X о ж X й
to У
ел
X
3 w to ।
X о
о
о св
о О о
о
X а
о
X о to
X 2 л 3 Е 5
У а
§
X
Я
Я о о 13 л 13
5 Е л л о
я
о ж to 13 л X X за
-е-оно
я
ж
л
X
X X
2
ю о
to 73
л
2 ж
ГВ
о w 2
SS
ох
о
п
S
Е
ж
я о Ж о л
о л о ел л X X о
to
о
8
Л
я
л л о о
У
X
13
Е
У
л
to
О
8 л 13
л
а
Е X
Е
я о to л
73 X
О
to
а
2
to л Ж Я
О
2 о
* X о
да
2 л
ел to
л
X 13 о со
^ X X X
х
да у х
л
2
ж
х
Я л
X
ел
X
13 X а
а
X
К
У
§
я
1
to
73
Е
Ч to
to л X н
Е за ч о 73
У
С ел
У а
5
X
л
о о
я о
О х
о
2
я
о X 13 У ж X о -7 о
О ел л л я
Е Ы о
X X о -I о
о о а 1з
X
о ч
X о ■г
Же
X
я 1а У л
У
N
X У 13 о
о to
X
а
X
ш
X
13
X
I
л 5
Е X л
to
я о а X Я
Л
СЕ У X
Е
X
ЕСТЗ л
о
л .■Т'
ел to
® с
7»
to
л
ел
е*»
о to
К х<
о я
м
2 X
я о
2
л
л 6 ® to л
Е
х
У X
*
X
о
я
С
а
X
to
to
о
to
О
X
2 х
У
а у
л
2
л л
X о
X
X о 13 to X о 13
to X
л л X
1а to
сс л 1з X
СИ д
X 13 X а X
л 13 to X о л
О to
to ^ Я О о 73 2 Л
л Хе
ю о
X л
Я о ж to а О to
У
X X
to
to
X я о to
5:
X
2о‘5
to л
X о §
13
X л
о to
л У £
X
х я
ел
Е
X я л
л
о 1а to а О
5 ж X X X
ж О'!
73 О Л X о я X
л л X X л
л 13 л
X
X
1а у 9 X X X ж
X
tr
оto
л X У
to
О
13 О
13 X X о ел to
to л 1з л 1а у X о
X л я о
£
9 со л
X Й л
Нг
л
2
л X о
о
X X
to
X
К X л
л
л X Ct X 13 X а
я X X
1а за
о
л X X за
X
У X
X
13 л
о X
X
ж У
X X с
X
§ а
К> о
Здесь И(Х)-относительна я спектральная световая эффективность для стандартного наблюдателя МКО; К„-максимальная спектральная световая эффективность. Когда экспозиция выражается как фотометрическая величина Нс, она измеряется в люкс-секундах (лк-с). Когда экспозиция выражается как радиометрическая (энергетическая) величина Н„ она измеряется в джоулях на квадратный метр (Дж/м2).
СЕНСИТОМЕТРИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ
Кривые, представляющие плотность D как функцию lg Н, известны как кривые Хартера-Дриффилда (Н - /)-кривые), или просто как характеристические кривые (рис. 15.1). Стандартным источником излучения при получении этих кривых являются искусственный источник, изготовленный так, чтобы обеспечить спектральное распределение облученности, приблизительно такое, какое дает абсолютно черное тело с температурой 6000 К в заданном ограниченном спектральном интервале. Этот источник предназначен для того, чтобы воспроизвести средний дневной свет, т. е. солнечное излучение плюс излучение неба. По освещенности от этого источника можно однозначно рассчитать облученность в инфракрасной области спектра. Хотя более логично было бы использовать для построения характеристической кривой инфракрасной пленки непосредственно величину Не, в литературе обычно используется величина Hv как обоснованная мера величины Не. Когда нужно получить характеристическую кривую фотопленки при использовании фильтра, потери в фильтре непосредственно учитываются при построении кривой, т. е. фильтр рассматривается как составная часть пленки.
0,0100,0160,0250,0100,0160,025г 100г 100г 2,0г 2,0о,о4оуо,о4оу0,0630,100,160,250,400531,00,0630,100,160,250,400531,0- Ю - 1,0- 6,3 - 0,8- Ю - 1,0- 6,3 - 0,8- 4,0" 25- 4,0" 25- 0,6 "0,4- 0,6 "0,4ин агин аг1.0'1.0'1,81.6?,41,21,81.6?,41,263 -40 -25 -16 -63 -40 -25 -16 -,разовая платность,разовая платностьКоэффициентпропускания т.Коэффициентпропускания т.\Пье^тсиг"^Г 3,0\Пье^тсиг"^Г 3,0оо'Нтрозрачнос^ь 0=Tq* г’^ Плотность D= lg Xq'Нтрозрачнос^ь 0=Tq* г’^ Плотность D= lg Xq0,010,1Экспозиция Н, лк-с0,010,1Экспозиция Н, лк-с1,01,0
0,010
0,016
0,025
0,010
0,016
0,025
г 100
г 100
г 2,0
г 2,0
о,о4оу
о,о4оу
0,063
0,10
0,16
0,25
0,40
053
1,0
0,063
0,10
0,16
0,25
0,40
053
1,0
- Ю - 1,0
- 6,3 - 0,8
- Ю - 1,0
- 6,3 - 0,8
- 4,0
" 25
- 4,0
" 25
- 0,6 "0,4
- 0,6 "0,4
ин аг
ин аг
1.0'
1.0'
1,8
1.6
?,4
1,2
1,8
1.6
?,4
1,2
63 -
40 -
25 -
16 -
63 -
40 -
25 -
16 -
,разовая платность
,разовая платность
Коэффициентпропускания т.
Коэффициентпропускания т.
\Пье^тсиг"^Г 3,0
\Пье^тсиг"^Г 3,0
о
о
'Нтрозрачнос^ь 0=Tq* г’^ Плотность D= lg Xq
'Нтрозрачнос^ь 0=Tq* г’^ Плотность D= lg Xq
0,010,1
Экспозиция Н, лк-с
0,010,1
Экспозиция Н, лк-с
1,0
1,0
пичная характеристическая кривая негативного фотоматериала [4].
Тангенс угла наклона прямолинейного участка (гамма) характе
ристической кривой один из параметров, которые используются, чтобы выбрать подходящее время проявления. Другой параметр, который
можно использовать вместо параметра гамма,- показатель контрастности С/, который представляет угловой коэффициент, который получает-
Относительный логарифм экспозиции де
Рис. 15.2 (продолжение).
d-проявитель 641; р-проявитель Kodak Versamat 885. д. е-используются две проявочные ванны.
ся из зависимостей D от lg Hv. В работе [9] С1 определяется как наклон линии между двумя точками на Я-D-кривой, которые представляют наибольшее и наименьшее значения плотности для однотонного чернобелого негатива. Показатель контрастности С/ более широко используется в художественной фотографии, чем в промышленных и научных работах п.
Характеристические кривые представляют усредненные характеристики (см. рис. 15.2-15.8). Добавим, что эти характеристики точно выдерживаются только при определенных условиях экспозиции и обработки. Изменения в качестве света или процессе обработки приводят к появлению семейства различных характеристических кривых. К примеру, на рис. 15.4,0 показана кривая С/, отличная от такой же кривой на рис. 15.4, б для той же самой пленки. Чувствительность фотоматериалов к изменениям параметров имеет тенденцию к нелинейности почти для любого параметра. Приборы, используемые для фотометрических или радиометрических измерений, должны быть откалиброваны под фотографическую чувствительность. Должны быть приняты чрезвычайные меры предосторожности для того, чтобы получить воспроизводимые условия обработки. Когда это возможно, калибровка экспозиции должна быть сделана на участках пленки, соседних с теми участками, которые используются для измерения. Очень большой объем информации, касающейся особенностей использования фотоматериалов, а также других проблем, связанных с материалами для фотометрии, можно наити в литературе по астрономии.
контрастности часто назы-контрастности часто назы-11 В отечественной литературе коэффициентом вают параметр гамма. -Прим. иерее.
контрастности часто назы-
контрастности часто назы-
Диффузная плотностьДиффузная плотностьОтносительный логарифм экспозицииОтносительный логарифм экспозицииРис. 15.3. Характеристические кривые высокочувствительной инфракрасной пленки Kodak ЕК 2481 (на основе Estar) и высокочувствительной инфракрасной пленки Kodak [3].
Диффузная плотность
Диффузная плотность
Относительный логарифм экспозиции
Относительный логарифм экспозиции
Экспозиция: дневной свет с фильтром Wratten № 25 при выдержке 0,01 с. Проявление: проявитель Kodak D-76 при 20 °C (непрерывное перемешивание) в течение 5, 8. 12, 16 и 24 мни.
Относительный, логарифм экспозиции
а
Рис. 15.4. Характеристические кривые высокочувствительной инфракрасной пленки Kodak ЕК 4143 (на толстой основе Es(ar).
о - экспозиция: дневной свет с фильтром Kodak Wratlen № 25 при 8biaJP**e
ние: проявитель Kodak D-76 при 20 С (непрерывное перемешивание) в течение 4 8^1-
мин [3]; б-экспозиция: от лампы накаливания с вольфрамовой нитью при вмдеР™ с фильтром Wrattcn № 25 и нейтральным фильтром плотностью 1,Р
Диапазоне 620- 900 нм [4].
Рис. 15.5. Комбинированные вые черно-белых инфракрасны; материалов Kodak [4].
Экспозиция: вольфрамовая
1 с, фильтр Wratten № 25 + neiht’Па' иый фильтр плотностью I 0 мендуется проявлять при ^ОТ к °"
D-'’: крнв'Л^ХД^Х^ пая инфракрасная пленка Kodak 4143 (на толстой основе Estar), 8 мин я 0-76. кривая В спектроскопическая пластинка Kodak I-Z (гиперс?нта£ лизированная). 4 мин в D-1T °
Рис. выеРис. вые
Рис. вые
Рис. вые
Характеристические кри- Коа^^енки So°‘289 (проявитель Kodak Versamat 885) [5].
кЙак ^^Т^рТ1” *—r> Ml с. Проявление" маЛа ^бТ ^™С ™“п K0dak
две проявочные ванны. Р
Рис, 15.8. Характеристические кривые гиперсенсибилизированпой спектроскопической пластинки Kodak 1-Z [4].
Экспозиция от вольфрамовой лампы, I с, фильтр Wratten № 25 + нейтральный фильтр плотностью 1,0 в спектральном диапазоне 580- 1130 нм. Проявитель Kodak D-19 при 20 °C.
СПЕКТРАЛЬНАЯ ЧУВСТВИТЕЛЬНОСТЬ
И КОЭФФИЦИЕНТЫ ПРОПУСКАНИЯ ФИЛЬТРА
Чувствительность $(Х) фотографической пленки к монохроматиче- скому свету определяется как величина, обратная монохроматической экспозиции //ДХ) (которая чаще всего измеряется в единицах эрг см-2), необходимой для того, чтобы создать заданный уровень плотности над вуалью. На рис. 15.9-15.13 представлен десятичный логарифм чувствительности как функция длины волны. Отметим, что на рис. 15.10 кривая чувствительности для D = 0,3 не является точным параллельным переносом кривой D = 1,0 по вертикали. Следовательно, гамма есть функция длины волны и времени проявления. Это демонстрируется на рис. 15.14 зависимостью CI от длины волны для пластинок типа 1-N. На рис. 15.15 показаны спектральные кривые пропускания некоторых фильтров, используемых в инфракрасной фотографии.
Данные, представленные на рис. 15.6, а также на рис. 15.12, 15.22,
[4]С ^ ^ Характеристические кривые спектроскопической пластинки Kodak I-N
Проявитель Kodak D-19 при 20 °C. а - экспозиция от вольфрамовой лампы. 1с, фильтр Wratten № 25 + нейтральный фильтр плотностью 1,0 в спектральном диапазоне 580 900 нм; 6'Монохроматическая (800 нм) экспозиция, 1,4 с.
^[)-0Днад оби^й вуалью
^^250500 400 500600 700800 900
Длина волны, юл
Рис. 15.9. Кривые спектральной чувствительности для проявителя D-19 (пленка ЕК 2424) [6].
Время экспонирования 1,4 с. Проявление в течение 8 мин при температуре 20 °C в сенситометрической проявочной машине.
250 300 МО 500 600 700 800 900
Длила волны, нм
Рис. 15.10. Кривые спектральной чувствительности высокочувствительной инфракрасной пленки Kodak ЕК 2481 (на основе Estar) и высокочувствительной инфракрасной пленки Kodak [3].
Проявление в проявителе Kodak D-17 10 мин при 20 ’С.
Длина волны, нм
Рис. 15Л1. Кривые спектральной чувствительности высокочувствительной инфракрасной пленки Kodak ЕК 4143 (на толстой основе Estar) [4].
Эти кривые практически такие же, как кривые для высокочувствительной инфракрасной менки Kodak ЕК 2481 и высокочувствительной инфракрасной пленки Kodak. Эффективное время экспонирования 1,4 с; проявитель Kodak D-76; время проявления 8 мин при 20 °C.
2,0
1,0 О
ЧД
W0 450 500 550 600 650 700 750 800 850 900
Длина волны, нм
D-19 (пленкаD-19 (пленка8О-289)1[5]КрИВЫе спектральной чувствительности для проявителя
D-19 (пленка
D-19 (пленка
Проявление в течение 8 мин при 20 С в сенситометрической машине для обработки пленки.
। ^' 11^'
1I—I11 ’ ।
D-OJ над общей вуалью .
О-0,6 наВ общей вуалью
1| ^М^Мббо"600 700 800 900 Ш~1ЮШ0Длина волны, нм
а
Рис. 15.13. Спектральная чувствительность спектроскопических пластинок Kodak типов 1-N (я) и I-Z (б) [4].
Проявитель Kodak D-19. время проявления 4 мин при 20 С. эффективное время экспонирования 1/25 с (а) и 1,4 с (б).
гд
у=0,^ нф об^ах вусутью,
м а
^^"з^™°
Длина волны, нм
Рис. 15.14. Зависимость показателя контраста от длины волны [4].
3,0
Кривая получена с помощью гой же самой кривой О логарифм экспозиции, на основе которой была построена кривая спектральной чувствительности материала. Спектроскопическая пластинка Kodak I-N: проявитель Kodak D-I9; время проявления 4 мин при 20 С.
100 г
Sti SB Е е» ^1
£6
г,о\
1,0
°гоо 300 УХ) 500 600 700 800 900
Длина волны, нм
80
60
У)
го
0,90
Й:
^
О 0,56 0,60
ОДО0,80
Длина волны, нм
Рис. >5.15. Спектральные кривые пропускания фильтров зуемых в инфракрасной фотограф L
Kodak Wratten, исполь-
15 23 15.25. 15.28 и 15.31, относятся к продуктам, проверенным при специфических условиях экспозиции и обработки. Они отражают состояние только этих продуктов и. следовательно, не применимы к произвольной партии фотоматериалов. Эти данные нс отражают требований стандартов или технических условий, которые действуют на фирме Eastman Kodak Company. Фирма оставляет за собой право в любое время изменять и улучшать характеристики продукта.
ХАРАКТЕРИСТИКИ
ВЗАИМОЗАМЕСТИМОСТИ
показывает степень нарушенияпоказывает степень нарушенияЗакон взаимозаместимости гласит, что при прочих фиксированных параметрах окончательная плотность почернения негатива зависит только от произведения освещенности на время экспонирования, т. е. Н„ = = E,Al Этот закон не выполняется для экспериментальных условий экспонирования. Очень сильное облучение при кратковременном воздействии и очень слабое облучение при длительном воздействии менее эффективны при необходимости достичь заданной плотности почернения, чем в случае умеренных величин облучения и умеренных значений времени экспонирования. Характеристики взаимозаместимости, показанные на рис. 15.16-15.18, являются графиками зависимости логарифма экспозиции (лк с) от логарифма освещенности (лк); там же нанесены линии постоянных значений времени экспонирования. Степень отклонения от прямой горизонтальной линии
показывает степень нарушения
показывает степень нарушения
закона взаимозаместимости.
ООВремя экспозиции с J х Ах - /\
О
О
12й0 10Логарифм освещенности (Еи,л¥.)12й0 10Логарифм освещенности (Еи,л¥.)Рис. 15.16. Кривые взаимозаместимости высокочувствительной инфракрасной пленки Kodak ЕК 4143 (на толстой основе Estar) [4].Рис. 15.16. Кривые взаимозаместимости высокочувствительной инфракрасной пленки Kodak ЕК 4143 (на толстой основе Estar) [4].Проявитель Kodak 20 СПроявитель Kodak 20 СD-76, 8 мин приD-76, 8 мин при
12й0 10
Логарифм освещенности (Еи,л¥.)
12й0 10
Логарифм освещенности (Еи,л¥.)
Рис. 15.16. Кривые взаимозаместимости высокочувствительной инфракрасной пленки Kodak ЕК 4143 (на толстой основе Estar) [4].
Рис. 15.16. Кривые взаимозаместимости высокочувствительной инфракрасной пленки Kodak ЕК 4143 (на толстой основе Estar) [4].
Проявитель Kodak 20 С
Проявитель Kodak 20 С
D-76, 8 мин при
D-76, 8 мин при
Рис. 15.17. Кривые взаимозаместимости для проявителя Kodak D-19 (пленка ЕК 2424) [6].Проявление при 20 С в течение 8 мин в сенситометрической машине для обработки пленки.Рис. 15.17. Кривые взаимозаместимости для проявителя Kodak D-19 (пленка ЕК 2424) [6].Проявление при 20 С в течение 8 мин в сенситометрической машине для обработки пленки.,-° к °,-° к °Время экспозиции, сВремя экспозиции, с-гр-гр-4,0-М -гр -1,0 о 1,0 2,0 3,0 х Логарифм освещенности (Еи. лк)-4,0-М -гр -1,0 о 1,0 2,0 3,0 х Логарифм освещенности (Еи. лк)
Рис. 15.17. Кривые взаимозаместимости для проявителя Kodak D-19 (пленка ЕК 2424) [6].
Проявление при 20 С в течение 8 мин в сенситометрической машине для обработки пленки.
Рис. 15.17. Кривые взаимозаместимости для проявителя Kodak D-19 (пленка ЕК 2424) [6].
Проявление при 20 С в течение 8 мин в сенситометрической машине для обработки пленки.
,-° к °
,-° к °
Время экспозиции, с
Время экспозиции, с
-гр
-гр
-4,0-М -гр -1,0 о 1,0 2,0 3,0 х Логарифм освещенности (Еи. лк)
-4,0-М -гр -1,0 о 1,0 2,0 3,0 х Логарифм освещенности (Еи. лк)
Время экспозиции, сВремя экспозиции, сWVV УШУ'=0,6 над общей вуалью уWVV УШУ'=0,6 над общей вуалью уО । ч /О । ч /'0=0,3 над общей вуалью'0=0,3 над общей вуалью* "3’-510 -4,0 -3,0 -3,0 -1,0 0 1,0 2^7 Логарифм освещенности (Еу, лк)* "3’-510 -4,0 -3,0 -3,0 -1,0 0 1,0 2^7 Логарифм освещенности (Еу, лк)Рис. 15.18. Кривые взаимозаместимос- ти спектроскопической пластинки Kodak IN [4].Проявитель Kodak D-19. 4 мин, при 20’С.Рис. 15.18. Кривые взаимозаместимос- ти спектроскопической пластинки Kodak IN [4].Проявитель Kodak D-19. 4 мин, при 20’С.
Время экспозиции, с
Время экспозиции, с
WVV УШУ
'=0,6 над общей вуалью у
WVV УШУ
'=0,6 над общей вуалью у
О । ч /
О । ч /
'0=0,3 над общей вуалью
'0=0,3 над общей вуалью
* "3’-510 -4,0 -3,0 -3,0 -1,0 0 1,0 2^7 Логарифм освещенности (Еу, лк)
* "3’-510 -4,0 -3,0 -3,0 -1,0 0 1,0 2^7 Логарифм освещенности (Еу, лк)
Рис. 15.18. Кривые взаимозаместимос- ти спектроскопической пластинки Kodak IN [4].
Проявитель Kodak D-19. 4 мин, при 20’С.
Рис. 15.18. Кривые взаимозаместимос- ти спектроскопической пластинки Kodak IN [4].
Проявитель Kodak D-19. 4 мин, при 20’С.
ЭФФЕКТИВНЫЙ РАБОЧИЙ
СПЕКТРАЛЬНЫЙ ДИАПАЗОН КОМБИНАЦИЙ
ПЛЕНКА-ФИЛЬТР
Фотокамера иногда используется как количественное радиометрическое устройство или как средство различения объектов на земле по уровням плотности почернения пленки в фотографическом изображении, если известны приблизительные кривые спектрального коэффициента отражения объектов. В каждом таком случае выбирается комбинация пленка - фильтр для конкретной частной задачи, и чтобы определить эффективную комбинацию, необходимо провести расчет. Расчет основан на допущении спектральной аддитивности. Кривые спектральной чувствительности, приведенные выше (рис. 15.9 и следующие), характеризуют эффективность воздействия монохроматического излучения при различных длинах волн при образовании определенной плотности почернения. Поскольку для того, чтобы создать определенную плотность почернения, при одних длинах волн требуется больший поток, чем при других, принимается, что в первом случае процесс просто менее эффективен. Когда на пленку одновременно падают потоки излучения в двух различных спектральных диапазонах, принимается, что общая экспозиция будет определяться эффективной весовой суммой экспозиций в каждом спектральном диапазоне.
Точность при допущении аддитивности является наивысшей, когда параметр гамма сенситометрической кривой фотопленки одинаков для рассматриваемых спектральных диапазонов. Точность ухудшается при увеличении изменчивости гамма. Хотя реакция пленки может проявляться в различных видах, было найдено, что для практических целей Допущение о спектральной аддитивности является достаточно точным. В относительно широких спектральных диапазонах (когда допущение об аддитивности, вероятно, приводит к снижению точности) собственная неточность радиометрических измерений в широкой спектральной полосе также увеличивается; в узких спектральных диапазонах как правомерность применения допущения об аддитивности, так и точность радиометрических измерений будут увеличиваться.
Соотношение, используемое для расчета эффективной экспозиции Н или эффективной весовой суммы экспозиций для каждой длины волны имеет вид
(15.3)(15.3)Н = С j j т (X) S (X) р (X) Ех (X) dkdt, о о
(15.3)
(15.3)
где С-постоянный коэффициент пропорциональности; т(Х)~коэффициент пропускания фильтра; S(X)-относительная спектральная чувствительность пленки; р(Х)-спектральный коэффициент отражения фотографируемого объекта; £х(Х)-спектральная облученность от источника освещения. Если величина р(Х) неизвестна, допускается, что в пределах рабочего спектрального диапазона она неизменна и может быть заменена средним значением р. Таким образом,
со t
(15-4)(15-4)/7 = Cpf Jr(X)S(X)£x(X)</Wr.
(15-4)
(15-4)
О о
Эффективная спектральная ширина рабочего диапазона ДХ может быть найдена посредством нормализации произведения членов, зависящих от длины волны, т. е. т (X) S (X) Ex (X), к его максимальному значению:
ДХ =ДХ =*-о*-от (X) 5 (X) Ex (X) dk /[т (X) 5 (X) Ек (Х)]макс.т (X) 5 (X) Ex (X) dk /[т (X) 5 (X) Ек (Х)]макс.(15.5)(15.5)
ДХ =
ДХ =
*-о
*-о
т (X) 5 (X) Ex (X) dk /[т (X) 5 (X) Ек (Х)]макс.
т (X) 5 (X) Ex (X) dk /[т (X) 5 (X) Ек (Х)]макс.
(15.5)
(15.5)
Тогда длина волны, соответствующая центру полосы, находится следующим образом:
Х = J т WS(X)£x(X)dX/AX[T(X)S(X)£x(X)]Maxc.(15.6)
еская ^позиция Н должна быть пропорциональна сред- нем у коэфф^иенту отражения объекта в эффективном диапазоне от л — 1X^2 ДО л +
спекточ 1 З^Г™. обеспечить Разделение двух объектов с известными сти почепиемиа коэФФициевтами отражения по максимальной плотно- разделение ,^ Н буДСТ 3аВИСеТЬ ОтНаилучшее
можно большекогда отношение //(объект 1)///(объект 2) как
раз с разтичными^6™ °? ' Уравнение (15-4) используется несколько парь, экспозиций дл^вуГХХв™0’ ЧТ°6Ы СРаВННТЬ 3ФФектИВНЫе Дейсття^ол"^£х(Х) ЧаСТ° является Результатом воз-
Ех(Х) может быть неизвестно ^ио\к°ЧНОе спектРальное распределение ОТО дня. Следователей к * °но обычно не очень сильно меняется день кривая £х(Х) для ясного лн^ ЫТЬ использована любая приемлемая диапазон узок значение Е (Н Кр0Ме того’ если Рабочий спектральный к, значение Ех (X) может не очень сильно зависеть от длины
волны в этом диапазоне. В последнем случае нормализация может быть произведена так, как если бы Ех было постоянным. Результат получается идентичным уравнению (15.5):
£xJt(X)S(X)dX
2(15.7)
AA-'{[t(X)S(X)]макс^х}
Здесь £х-среднее значение £х в пределах диапазона ДХ. Величина £х сокращается, поэтому АХ от нее не зависит. Центр диапазона находится, как и выше, по уравнению (15.6).
ЦВЕТНАЯ ИНФРАКРАСНАЯ ПЛЕНКА
Цветная инфракрасная пленка изготовляется с трехслойной эмульсией и очень похожа на обычную цветную пленку. Спектральная чувствительность каждого слоя определяется соответствующей сенсибилизацией красителя. Вследствие того что основной фоточувствительныи материал состоит из кристаллов галогенида серебра, каждый слой будет иметь чувствительность к облучению не только в диапазоне своею сенсибилизированного красителя, но также в коротковолновом спектральном диапазоне.
В обычной цветной пленке верхний слой сенсибилизирован в синен спектральной области. Под верхним слоем располагается желтый фильтр (отсекающий синее излучение), чтобы избежать облучения синим светом слоев, лежащих ниже. В цветной инфракрасной пленке слои
Инфра-.
Синай Зеленый Красный кратный V0m02paWyeA1blu
(|объект
|||1 Желтый фильтр
Инфра-. 1г красный L Зеленый [Инфра-. 1г красный L Зеленый [5^^5^^Красный _[Красный _[Сине-зеленыйСине-зеленыйПроцесс преобразо- — вания цветовКрасители, образован* ///Л Г__ -ппомктгПроцесс преобразо- — вания цветовКрасители, образован* ///Л Г__ -ппомктгКрасный,фуксиновый _Красный,фуксиновый _1 Чувствительность Т 1 тлоев пленки
Инфра-. 1г красный L Зеленый [
Инфра-. 1г красный L Зеленый [
5^^
5^^
Красный _[
Красный _[
Сине-зеленый
Сине-зеленый
Процесс преобразо- — вания цветов
Красители, образован* ///Л Г__ -ппомктг
Процесс преобразо- — вания цветов
Красители, образован* ///Л Г__ -ппомктг
Красный,фуксиновый _
Красный,фуксиновый _
!।~| Резулыпирюшде
Синий Зеленый Красный_ v -
Рис. 15.19. Схема формирования цветов на цветной инфракрасной пленк
сенсибилизированы в зеленой, красной и ближней инфракрасной областях (рис. 15.19). Некоторые пленки изготавливаются без желтого фильтра между слоями, поэтому при использовании такой пленки нужно применять подходящий желтый фильтр (например, фильтр Wratten 12).
Для нормальной цветной пленки в процессе химической обработки применяются соответствующие цветные красители таким образом, чтобы в тех местах, где пленка облучается, например, только синим цветом, изображение после обработки становилось синим. Воспроизведение различных цветов основано на трехцветной теории цветного зрения [22]. Красители для слоев в цветной инфракрасной пленке подбираются по простой схеме преобразования цветов: там, где пленка облучается только коротковолновым инфракрасным излучением, изображение после обработки становится красным; там, где пленка облучается только в красной области спектра, изображение становится зеленым; в тех местах, где происходит облучение в зеленой области, изображение становится синим. Экспонирующее пленку синее излучение отсекается желтым фильтром. В табл. 15.3 схематически, с помощью цветных диапазонов представлено соотношение между спектральным распределением излучения при экспозиции и цветами в инфракрасном изображении после обработки.
На рис. 15.20 изображены кривые спектральной чувствительности трехслойной инфракрасной пленки Ektachrome. Кривые получены для эквивалентной нейтральной плотности, превышающей на 1,0 минимальную плотность при обработке пленки в соответствии с процессом Kodak ЕА-5. На рис. 15.21 изображены кривые спектральной чувствительности инфракрасных пленок Kodak Aerochrome 2443 и 3443. Кривые спектральной чувствительности экспериментальных материалов SO-127, 50-130^80-131 даны на рис. 15.22, а характеристические кривые-на
Обнаружение очень небольших изменений в отражательных свойствах удаленных объектов в зеленой, красной и ближней инфракрасной I^r™-3* Соотношение между относительными экспозициями и цветами в изображении для цветной инфракрасной пленки
Относительная экспозиция
Зеленый
Красный
ИК
Цвет в изображении
0
0
0
А
0
Черный
0
1
Красный
о
0
Зеленый
1
1
Желтый
1
0
0
Синий
1
0
1
1
Красный фуксиновый
1
0
Сине-зеленый
1
]
Белый
Рис. 15.20. Кривые спектраль- ной чувствительности инфракрасной пленки Kodak Ek- tachromc [3].
Y- желтый формирующий слой: М - красный фуксиновый формирующий слой; С сине-зеленый формирующий слой.
Рис. 15.21. Кривые спектральной чувствительности инфракрасных пленок Kodak Aero- chrome EK 2443 (на основе Estar) и ЕК 3443 (на тонкой основе Estar) [7].Y-желтый формирующий слой: С-сине-зеленый формирующий слон; М красный фуксиновый формирующий слой. Эффективное время экспонирования 0,01 с; процесс проявления Kodak ЕА-5.Рис. 15.21. Кривые спектральной чувствительности инфракрасных пленок Kodak Aero- chrome EK 2443 (на основе Estar) и ЕК 3443 (на тонкой основе Estar) [7].Y-желтый формирующий слой: С-сине-зеленый формирующий слон; М красный фуксиновый формирующий слой. Эффективное время экспонирования 0,01 с; процесс проявления Kodak ЕА-5.LL1\ । I i ц ^1*400 450 500 550 600 650 700 750 800 850 9001\ । I i ц ^1*400 450 500 550 600 650 700 750 800 850 900400500600Длина волны,400500600Длина волны,700800900НМ700800900НМДлина волны, нмРис. 15.22. Кривые спектральной чувствительности инфракрасных пленок высокой четкости Kodak Aerochromc SO-127 (на основе Estar), SO-130 (на сверхтонкой основе Estar) и SO-131 (на тонкой основе Estar) [10].Плотность 1,0; обработка в соответствии с процессом ЕЛ-5 (первый проявитель при 33.8 С); денситометрия: эквивалентная нейтральная плотность. Y-желтый формирующий слой: С-сине-зеленый формирующий слой; М красный фуксиновый формирующий слой.Длина волны, нмРис. 15.22. Кривые спектральной чувствительности инфракрасных пленок высокой четкости Kodak Aerochromc SO-127 (на основе Estar), SO-130 (на сверхтонкой основе Estar) и SO-131 (на тонкой основе Estar) [10].Плотность 1,0; обработка в соответствии с процессом ЕЛ-5 (первый проявитель при 33.8 С); денситометрия: эквивалентная нейтральная плотность. Y-желтый формирующий слой: С-сине-зеленый формирующий слой; М красный фуксиновый формирующий слой.Длина волны, нм
Рис. 15.21. Кривые спектральной чувствительности инфракрасных пленок Kodak Aero- chrome EK 2443 (на основе Estar) и ЕК 3443 (на тонкой основе Estar) [7].
Y-желтый формирующий слой: С-сине-зеленый формирующий слон; М красный фуксиновый формирующий слой. Эффективное время экспонирования 0,01 с; процесс проявления Kodak ЕА-5.
Рис. 15.21. Кривые спектральной чувствительности инфракрасных пленок Kodak Aero- chrome EK 2443 (на основе Estar) и ЕК 3443 (на тонкой основе Estar) [7].
Y-желтый формирующий слой: С-сине-зеленый формирующий слон; М красный фуксиновый формирующий слой. Эффективное время экспонирования 0,01 с; процесс проявления Kodak ЕА-5.
L
L
1\ । I i ц ^
1*400 450 500 550 600 650 700 750 800 850 900
1\ । I i ц ^
1*400 450 500 550 600 650 700 750 800 850 900
400500600
Длина волны,
400500600
Длина волны,
700800900
НМ
700800900
НМ
Длина волны, нм
Рис. 15.22. Кривые спектральной чувствительности инфракрасных пленок высокой четкости Kodak Aerochromc SO-127 (на основе Estar), SO-130 (на сверхтонкой основе Estar) и SO-131 (на тонкой основе Estar) [10].
Плотность 1,0; обработка в соответствии с процессом ЕЛ-5 (первый проявитель при 33.8 С); денситометрия: эквивалентная нейтральная плотность. Y-желтый формирующий слой: С-сине-зеленый формирующий слой; М красный фуксиновый формирующий слой.
Длина волны, нм
Рис. 15.22. Кривые спектральной чувствительности инфракрасных пленок высокой четкости Kodak Aerochromc SO-127 (на основе Estar), SO-130 (на сверхтонкой основе Estar) и SO-131 (на тонкой основе Estar) [10].
Плотность 1,0; обработка в соответствии с процессом ЕЛ-5 (первый проявитель при 33.8 С); денситометрия: эквивалентная нейтральная плотность. Y-желтый формирующий слой: С-сине-зеленый формирующий слой; М красный фуксиновый формирующий слой.
быть сделано большим.быть сделано большим.областях спектра может быть улучшено. Гамма этих трех слоев может чем гамма обычной цветной пленки. Большее значение гамма выражается в больших изменениях плотности и, следовательно, цветового смещения в слоях (и, значит, в изображении) при различении малых изменений в спектральном распределении излучения объекта.
быть сделано большим.
быть сделано большим.
Эти большие значения гамма вызывают трудности при экспонировании. Заметные изменения цвета в проявленном изображении получаются, когда экспозиция этих пленок изменяется посредством диафрагмы фотографической камеры (с коэффициентом 2 в экспозиции). Небольшие изменения в спектре излучения источника света также могут о наружи ваться на пленке. Угловая высота Солнца и состояние неба могут изменять равновесие между излучением в ближней инфракрасной и ви-
Рис. 15.23. Характеристические кривые инфракрасных пленок высокой четкости Kodak Aerochrome SO-127 (на основе Estar), SO-130 (на сверхтонкой основе Estar), SO-131 (на тонкой основе Estar) [10].
Экспозиция: 1/10 с. дневной свет (500-900 нм); обработка в соответствии с процессом ЕА-5 (первый проявитель при 33,8 ЭС). о-плотность в состоянии А; б-эквивалентная нейтральная плотность. В-синий; G-зеленый; R-красный; С-сине-зеленый; М-красный фуксиновый; ¥ - желтый.
димой областях спектра. Такие изменения могут быть незаметны для глаза или обычного фотографического экспонометра. Ограничиваясь использованием инфракрасной пленки только в условиях ясных дней и больших значений угловой высоты Солнца, можно гарантировать, что спектральное равновесие между видимой и инфракрасной областями спектра будет устойчивым.
ДЕНСИТОМЕТРИЯ
Реакция фотопленки на экспозицию, вообще говоря, нелинейна. Количественный результат экспозиции может быть измерен с помощью коэффициента пропускания проявленного негатива. Обычно коэффициент пропускания вводят в выражение для плотности: D = 1g (1/т). Плотность проявленной пленки частично зависит от метода, который используется для измерения коэффициента пропускания. Отсюда следует, что различные денситометры могут не воспроизводить идентично значения плотности для одного и того же участка пленки. Однако любой денситометр, который дает устойчивые (воспроизводимые) показания, может полностью подходить для радиометрической фотографии. Пленка должна быть откалибрована путем экспонирования ступенчатого клина, который обеспечивает соотношение между экспозицией и конечным отсчетом значений плотности. Коль скоро имеет место однозначное соответствие между экспозицией и плотностью, можно установить прямое соотношение между выходным сигналом и экспозицией или энергетической яркостью неизвестного объекта.
Черно-белая пленка
На основе денситометра и фотокамеры с соответствующим фильтром и однослойной пленкой может быть получена полезная и экономичная радиометрическая система при условии, что учитываются определенные характеристики камеры и пленки. Эти характеристики таковы, что они изменяют однозначное соответствие между плотностью пленки и энергетической яркостью объекта.
Основные изменения, относящиеся к камере, вызываются виньетированием внеосевых пучков засветки и. в случае камеры с затвором в фокальной плоскости, непостоянством скорости движения шторки затвора в плоскости пленки. Вследствие этих изменений экспозиция на самой пленке меняется. Фотография бесконечной, идеально равномерной, диффузной (т. е. ламбертовской) поверхности будет иметь в результате неравномерную плотность после проявления пленки. Такие изменения могут быть учтены, если выбрать из ряда фотографий фотографию достаточно равномерного диффузного объекта. Лист белой матовой писчей бумаги, подсвеченный сзади дневным светом и размешенный непосредственно над линзой камеры или фильтром, будет действовать как равномерный ламбертовский осветитель или диффузный объект в фотографическом спектральном диапазоне. Относительное изменение экспозиции данного участка как функция положения этого участка на пленке может быть найдено при использовании калибровочных данных по экспозициям, полученных с помощью ступенчатого клина, вместе с фотографией ламбертовского объекта.
Основные изменения, связанные с пленкой, вызываются ограниченным пространственным разрешением пленки в совокупности с несовершенствами камеры и процесса химической обработки пленки. Проявляются преимущественно высококонтрастные края изображения. В результате появляются области (вблизи краев) с более высокими плотностями, чем можно было бы ожидать, исходя из калибровочной кривой, полученной с помощью ступенчатого клина. Кроме того, плотность деталей на пленке, изображаемых близ предела разрешения, скорее соответствует величине, получающейся в результате усреднения яркости этих деталей и яркости их окружения, чем яркости собственно деталей. Это является следствием влияния размера зерен фоточувствительнон эмульсии и рассеяния света в пленке, вызывающего снижение контрастной модуляционной передаточной функции. Разрешение штриховой миры, имеющей 50 пар линий (штрихов) на миллиметр, характеризует точку, при которой усреднение близко к полному. Таким образом, чтобы получить точное соответствие плотности негатива и энергетической яркости для отдельного объекта, следует использовать центры областей размером не менее 0,5-1,0 мм.
Чтобы получить среднее значение энергетической яркости объекта Довольно большой площади, нужно измерить энергетическую яркость каждой части объекта на фотографии с помощью денситометра. Ис-
пользование большого пятна в денситометре обычно приводит к неправильному усреднению энергетической яркости объекта; для получения правильного результата потребовалось бы, чтобы изменения плот- ности негатива в пределах пятна были гораздо меньше, чем 0,1. Измерение коэффициента пропускания с использованием пятна большого размера эквивалентно усреднению коэффициента пропускания, кото- рьш нелинейно связан с энергетической яркостью объекта. Наиболее точным методом получения усредненной энергетической яркости объектов. которые содержат много высококонтрастных деталей (например, лесов и сельскохозяйственных угодий), является выполнение фотографии таким образом, чтобы размеры детален были ниже предела разрешения системы камера - пленка. Малоформатная переносная камера при работе с малой апертурой и большим временем экспонирования позволяет получить идеальные изображения структурированных участков, пригодных для радиометрической фотографии.
Цветная пленка
Все характеристики пленки с однослойной эмульсией, относящиеся к радиометрической денситометрии, применимы также для трехслойной цветной пленки. К сожалению, у трехслойных пленок имеются дополнительные особенности, которые делают использование таких пленок для радиометрических целей не только трудным, ио и менее точным.
В слоях цветной пленки плотность в процессе получения изображения создается в результате осаждения частиц цветных красителей (вместо зерен металлического серебра). Цветные красители выбираются таким образом, что создают видимое цветное изображение при освещении белым светом с помощью трехцветной системы цветовычитания (субтрактивная система получения цветного изображения). Как правило, цветной краситель в одном слое подбирают так, чтобы его спектральный коэффициент поглощения контролировал только одну из областей видимого спектра-красную, зеленую или синию-в соответствии с концентрацией красителя в этом слое. Однако спектральные коэффициенты поглощения красителей оказываются не равными нулю и в других двух областях видимого спектра, которые должны контролироваться дру-
Рис. 15.24. Кривые спектральной плотности красителей инфракрасных пленок Kodak Aerochrome ЕК-2443 (на основе Estar) и ЕК 3443 (на тонкой основе Estar) [7]. /-нейтральный фильтр; 2-желтый краситель; 3-сине-зеленый краситель; 4 красный фуксиновый краситель.
Рис. 15.25. Кривые спектральной плотности красителей инфракрасных пленок высокой четкости Kodak Aerochrome SO-127 (на основе Estar), SO-130 (на сверхтонкой основе Estar) и SO-131 (на тонкой основе Estar) [10].
Процесс проявления ЕА-5 (первый проявитель при 33,8 С). Нормализованные красители, образующие визуальную плотность 1,0. для осветителя видимого света D5000.
гимн красителями. Это показано на рис. 15.24 для инфракрасных пленок Kodak Aerochrome 2443 и 3443, а также на рис. 15,25 для экспериментальных пленок, изготавливаемых по специальному заказу.
В денситометрии трехслойной пленки требуется использовать фильтры для разделения цветов при измерениях коэффициента пропускания. Чтобы получить плотность, например, красной области изображения в трехцветной визуальной системе, перед источником света в денситометре помещается красный фильтр. Поскольку слои пленки наложены друг на друга, коэффициенты пропускания всех трех слоев измеряются одновременно. При наложении спектров красителей спектралыгые коэффициенты поглощения позволяют до некоторой степени управлять с помощью экспозиции плотностью на одном из участков видимого спектра в трехцветной системе. Плотности изображения, полученные с фильтрами разделения цветов, называются интегральными плотностями.
Спектральные коэффициенты поглощения цветных красителей могут быть использованы для расчета плотностей изолированных слоев. Эти расчетные плотности называются аналитическими плотностями; они рассчитываются с использованием соответствующих линейных комбинаций трех интегральных плотностей. Если бы не было дополнительных трудностей, трехслойная пленка могла бы быть использована для радиометрических целей точно так же, как однослойная пленка.
Однако помимо эффектов наложения спектральных коэффициентов поглощения в трехслойной пленке появляются эффекты от взаимовлияния изображений. Существует фундаментальная асимметрия процесса обработки пленки. Фотохимикаты должны проникать в трехслойную эмульсию только с одной стороны. Отработанные реактивы и побочные продукты должны удаляться тем же путем. Скорость химических реакций зависит от концентраций составляющих системы, и в случае диффузии через трехслойную эмульсию должен существовать градиент концентрации. Следовательно, степень распространения реакции в одном слое будет зависеть от его положения и степени распространения Реакций в соседних слоях. Процесс получения изображения будет различным в зависимости от спектрального равновесия и величины экспо-
зицнн. Вследствие этого, сенситометрические кривые, полученные от серого источника со ступенчатым клином, не дают точного описания несерых источников. Химические процессы, протекающие внутри пленки. не всегда идентичны.
МОДУЛЯЦИОННЫЕ ПЕРЕДАТОЧНЫЕ
КРИВЫЕ
Информация о пространственных характеристиках фотографических материалов представляется в виде модуляционных передаточных кривых1'. Некоторые из этих кривых представлены на рис. 15.26-15.31.
Пространственная частота, штр-мм'1Пространственная частота, штр-мм'1Пространственная частота, илтр-^м"1Пространственная частота, илтр-^м"1Рис.Рис.15.26. Модуляционные передаточные кривые пленки ЕК 2424 [6].15.26. Модуляционные передаточные кривые пленки ЕК 2424 [6].D4^^"c*FS^^ ЧерСЗ фильтР WraUen № 25)- о-проявитель Kodak А при 32 2 С J ^Л^ ^ YCr^mat 641 ПРИ 29-4 С; в" проявитель Kodak Versamal всеТито^ VerSamat 885 ПРИ 29-4 Проявление: а-% ^н "Ро™™ыс №) с0 скор^ьк^"” Kodak ''''“"" " 1D4^^"c*FS^^ ЧерСЗ фильтР WraUen № 25)- о-проявитель Kodak А при 32 2 С J ^Л^ ^ YCr^mat 641 ПРИ 29-4 С; в" проявитель Kodak Versamal всеТито^ VerSamat 885 ПРИ 29-4 Проявление: а-% ^н "Ро™™ыс №) с0 скор^ьк^"” Kodak ''''“"" " 1
Пространственная частота, штр-мм'1
Пространственная частота, штр-мм'1
Пространственная частота, илтр-^м"1
Пространственная частота, илтр-^м"1
Рис.
Рис.
15.26. Модуляционные передаточные кривые пленки ЕК 2424 [6].
15.26. Модуляционные передаточные кривые пленки ЕК 2424 [6].
D4^^"c*FS^^ ЧерСЗ фильтР WraUen № 25)- о-проявитель Kodak А при 32 2 С J ^Л^ ^ YCr^mat 641 ПРИ 29-4 С; в" проявитель Kodak Versamal всеТито^ VerSamat 885 ПРИ 29-4 Проявление: а-% ^н "Ро™™ыс №) с0 скор^ьк^"” Kodak ''''“"" " 1
D4^^"c*FS^^ ЧерСЗ фильтР WraUen № 25)- о-проявитель Kodak А при 32 2 С J ^Л^ ^ YCr^mat 641 ПРИ 29-4 С; в" проявитель Kodak Versamal всеТито^ VerSamat 885 ПРИ 29-4 Проявление: а-% ^н "Ро™™ыс №) с0 скор^ьк^"” Kodak ''''“"" " 1
и соот^?ствЧуюи^^^модуляционная передаточная функция (МПФ)
^™<~Т^^обычно называются
Рис. 15.27. Модуляционная передаточная кривая высокочувствительной инфракрасной пленки Kodak ЕК 4143 (на толстой основе Estar) [4].
Рис. 15.28. Модуляционная переда- точная кривая пленки SO-28 L Осветитель - вольфрамовая ^^накаливания. Проявление в машине для t работки пленки ^£%к mat 885 при проявителем Kodak Усгмша 29,4 с (2 проявочные ванны) со с ростью 305 см/мин.Рис. 15.28. Модуляционная переда- точная кривая пленки SO-28 L Осветитель - вольфрамовая ^^накаливания. Проявление в машине для t работки пленки ^£%к mat 885 при проявителем Kodak Усгмша 29,4 с (2 проявочные ванны) со с ростью 305 см/мин.^ 7^Г=I 30- £ го-Пространст^наячастота,^ 7^Г=I 30- £ го-Пространст^наячастота,Рис. 15.29. Модуляционные передаточные кривые спектроскопических тииок Kodak I-N и 1-2. [4].Осветитель-вольфрамовая ^^\ пр°Я тель Kodak D-19 при 20 °C (4 мин).Рис. 15.29. Модуляционные передаточные кривые спектроскопических тииок Kodak I-N и 1-2. [4].Осветитель-вольфрамовая ^^\ пр°Я тель Kodak D-19 при 20 °C (4 мин).Рис. 15.30. M^^^nX^Koi пая кривая инфраЛЛ44з (На основе ^№*"• тонкой основе Estar) [7].Процесс проявления KodakРис. 15.30. M^^^nX^Koi пая кривая инфраЛЛ44з (На основе ^№*"• тонкой основе Estar) [7].Процесс проявления KodakЭкспозиция: вольфрамовая лампа накаливания через фильтр Kodak W ratten № 25 и фильтр Coming 3966. проявитель Kodak D-76. 8 мин при 20 С.
Рис. 15.28. Модуляционная переда- точная кривая пленки SO-28 L Осветитель - вольфрамовая ^^накаливания. Проявление в машине для t работки пленки ^£%к mat 885 при проявителем Kodak Усгмша 29,4 с (2 проявочные ванны) со с ростью 305 см/мин.
Рис. 15.28. Модуляционная переда- точная кривая пленки SO-28 L Осветитель - вольфрамовая ^^накаливания. Проявление в машине для t работки пленки ^£%к mat 885 при проявителем Kodak Усгмша 29,4 с (2 проявочные ванны) со с ростью 305 см/мин.
^ 7^Г=
I 30- £ го-
Пространст^наячастота,
^ 7^Г=
I 30- £ го-
Пространст^наячастота,
Рис. 15.29. Модуляционные передаточные кривые спектроскопических тииок Kodak I-N и 1-2. [4].
Осветитель-вольфрамовая ^^\ пр°Я тель Kodak D-19 при 20 °C (4 мин).
Рис. 15.29. Модуляционные передаточные кривые спектроскопических тииок Kodak I-N и 1-2. [4].
Осветитель-вольфрамовая ^^\ пр°Я тель Kodak D-19 при 20 °C (4 мин).
Рис. 15.30. M^^^nX^Koi пая кривая инфраЛЛ44з (На основе ^№*"• тонкой основе Estar) [7].
Процесс проявления Kodak
Рис. 15.30. M^^^nX^Koi пая кривая инфраЛЛ44з (На основе ^№*"• тонкой основе Estar) [7].
Процесс проявления Kodak
Рис. 15.31. Модуляционная передаточная кривая инфракрасных пленок высокой четкости Kodak Аего- chrome SO-127 (на основе Estar), SO-130 (на сверхтонкой основе Estar) и SO-131 (на тонкой основе Estar) [10].
Экспозиция: контактная печать синусоидальной картины с использованием дневного света плюс фильтр Kodak Wratten № 12 (500 900 нм). Процесс проявления ЕА-5 (первый проявитель при 33,8 °C).
ИНФРАКРАСНАЯ
ПОЛУПРОВОДНИКОВАЯ ФОТОГРАФИЯ 11
Обычные фотографические пленки имеют длинноволновую границу чувствительности около 1,0 мкм. Распространение фотографических методик в сторону больших длин волн связано с двумя основными проблемами: разработка процессов с фотографической чувствительностью при больших длинах волн и разработка методов ограничения вуалирования чувствительной поверхности фоновым излучением. Наибольший успех достигнут при решении первой проблемы, более трудной оказалась вторая проблема. Трудность проблемы вуалирования проиллюстрирована на рис. 15.32, где зависимости времени вуалирования при воздействии фона с температурой 300 К от длинноволновой границы чувствительности даны для различных значений чувствительности пленки. Для чувствительности 1 см2-эрг-1 время вуалирования составляет несколько секунд для длинноволновой границы около 2,5 мкм.
Рис. 15.32. Зависимость времени вуалирования фотографического материала т0 от длинноволновой границы чувствительности X.. в режиме накопления при зоб К.
Значения чувствительности (см2 • эрг'^ЛО" (Л); 10"2(6), I (Я) и Ю2 (ПОИ
108- 10е 10*'- 102-108- 10е 10*'- 102-01 ^3456189 10 ^Ит> ^K^01 ^3456189 10 ^Ит> ^K^ААББW0 лет,0®1-мес1сцт1ч1*IUH1с1«МС Ю'5сW0 лет,0®1-мес1сцт1ч1*IUH1с1«МС Ю'5сО'*О'*^а ~^Мичн_ инста.
108- 10е 10*'- 102-
108- 10е 10*'- 102-
01 ^3456189 10 ^Ит> ^K^
01 ^3456189 10 ^Ит> ^K^
А
А
Б
Б
W0 лет,0®1-мес1сцт1ч1*IUH
1с
1«МС Ю'5с
W0 лет,0®1-мес1сцт1ч1*IUH
1с
1«МС Ю'5с
О'*
О'*
Рис. 15.33. Схема электрически управляемого фотографического процесса с жидким электролитом [11].
/ - прозрачная проводящая пленка; 2 полупроводниковая [щенка; 3-раствор электролита; 4 металлический считывающий электрод.
Использование охлаждаемой упаковки смягчает проблему вуалирования, но увеличивает сложность системы в целом.
Недавно была выполнена работа по созданию фотографической системы в ближней инфракрасной области, в которой используются такие фоточувствительные свойства полупроводников, которые могут быть активизированы только на период времени экспонирования [11, 12]. В основном процесс представляет собой помещение полупроводникового слоя большой площади таким образом, чтобы он находился в контакте с электролитом, причем на эту систему может быть подано положительное, отрицательное или нулевое смещение (рис. 15.33). Воздействие на полупроводниковый материал инфракрасного излучения с изменяющейся пространственной структурой приводит к появлению соответствующего пространственного изменения химической активности. которая может проявляться в осаждении атомов металла из раствора электролита на поверхность полупроводникового слоя или в образовании слоя окисла на поверхности полупроводника. Химические реакции, протекающие при электрическом смещении, инициируются, когда раствор электролита оказывается под действием электрического поля. Реакции, протекающие при отсутствии смещения, управляются наличием или отсутствием самого электролита. Такие реакции могут создавать видимое изображение на полупроводниковой поверхности. Режим работы без электрического смещения называется контактно-чувствительной полупроводниковой фотографией, а режим при электрическом смещении-электрически управляемой полупроводниковой фотографией [11]. Типичные значения облученности составляют 10 - Ю 5 Вт-см-2, а типичное время экспонирования-от 1 до 5 с [11]. (Необходимое время зависит от величины облученности.) Полупроводниковыми материалами, которые с 1973 г. успешно используются в процессах получения изображения, являются кремний [11-14], германий, сульфид свинца [11. 12, 15-17], селенид свинца [11, 12. 15], арсенид галия [Н, 12, 18, 19], арсенид индия [11, 12], антимонид индия [20], селенид галлия [21] и селенид индия [21].
При использовании кремния в качестве полупроводникового слоя были получены изображения при достаточно низких плотностях энергии (около 20 мкДж-см"2). Было достигнуто пространственное разрешение
20 пар линий на миллиметр [14]: теоретический анализ показывает, что предельное разрешение, которое ограничено поперечной диффузий неосновных носителей, составляет приблизительно 300 пар линий на миллиметр [19].
Видимое, постоянное изображение может быть результатом только экспозиции; однако при уменьшенном времени экспонирования может получаться скрытое изображение, которое может стать видимым в результате процесса физического проявления. Изображения, проявленные на полупроводниковых пластинках, являются постоянными (т. е. носят устойчивый стационарный характер).
Исследовалось образование изображения на токочувствительной пленке, включенной последовательно с полупроводниковым элементом, который может использоваться повторно [П-13, 19]. Токочувствительная пленка состоит из желатинового или полиэтиленового слоя, пропитанного электролитом, например фенидоном. Во время экспонирования в токочувствительной пленке образуются центры скрытого изображения, плотность которых зависит от плотности тока через пленку. Эти центры становятся видимыми при последующих процессах физической обработки. Измерения с помощью высокочувствительного фотоприемника из арсенида галлия показали, что изображение может быть получено на целлофане, пропитанном электролитом, при столь низких плотностях энергии, как 30 мкДж-см"2 [19].
Сравнение полупроводниковых фотографических систем с обычными пленками показывает, что для полупроводниковых систем требуются плотности энергии приблизительно в 102 раз больше.
КРИОГЕННЫЕ СИСТЕМЫ
ОХЛАЖДЕНИЯ
М. Донабедьян 11
ВВЕДЕНИЕ
В данной главе рассматриваются системы охлаждения, которые специалисты по ИК-технике часто называют системами криостатиро- вания или криостатами. Эти системы предназначены для получения и поддержания нужной температуры в оптико-электронной системе. В большинстве случаев они имеют огромное значение для работы приемников.
Обозначения, наименования
и единицы измерения величин
Обозначения, наименования и единицы измерения величин, применяемые в данной главе, приводятся в табл. 16.1.
ХАРАКТЕРИСТИКА СИСТЕМ ОХЛАЖДЕНИЯ И РЕКОМЕНДАЦИИ ПО ИХ ВЫБОРУ
Основные факторы, определяющие наиболее пригодный для конкретного применения тип системы охлаждения или криостатирования,- холодопроизводительность, рабочая температура, время работы, эксплуатационные требования, условия окружающей среды, масса, объем, энерго ресурсы, компоновка и габариты охлаждаемого устройства, сроки и(или) стоимость разработки, время выхода на режим, совместимость с приемником. Рассматриваемые в данной главе криостаты можно
разделить на следующие четыре основных вида.
Системы разомкнутого цикла (расходного типа), в которых применяю гея криогенная жидкость в нормальном или сверхкритическом состоянии, твердое криогенное вещество или газ высокого давления, при расширении которого используется эффект Джоуля-Томсона.
Пассивные излучатели, которые охлаждают системы до кришен- ных температур путем излучения в низкотемпературную среду (откры
тый космос).
11 Martin Donabcdian, The Aerospace Corporation.
290
Криогенные системы охлаждения
Таблица 16.L Обозначения, наименования и единицы измерения величин
Обозначение
Наименование
Единица измерения
А
Площадь поверхности
м2
а
Альбедо
—
В
Масса сосуда
кг
b
Показатель степени в формуле Нус-
,—
сельта
с
»
с,, с.
Удельные теплоемкости
Джкт~
•к-*
ХК
Холодильный коэффициент; произ-
Вт-Вт"’
веденное количество холода (выходная мощность) на единицу по-
требленной энергии (входная мощ-
D.
ность)
Диаметр, размер трубопровода или устройства
см
Е
Облученность или плотность падающего теплового потока; солнечное излучение, альбедо, излучение Земли
Коэффициент системы при тепло-
Вт • м "2
F.
—
обмене
F,
Коэффициент излучательной спо-
собсности при теплообмене
fer
Коэффициент излучения Земли на
пластину при теплообмене
го
Коэффициент безопасности
fl L
Высота над планетой
км
Вт ■ см "2
Коэффициент теплопередачи при
К-1
конвекции
I
Сила тока
д
к
ОТ
Коэффициент теплопроводности Теплопроводность
Вт см-1
Вт • К “1
К-*
м.
Толщина изоляции или зазора Число Маха
см
p
Давление
р«ь P Qq q R
Коэффициент Пельтье Давление контакта Тепловая энергия Скорость теплопередачи
а I м
Вт А'1
атм
Дж
Вт
Радиус планеты или Земли; элект-
км; Ом
рическое сопротивление
коэффициент восстановления лото-
—
s
У
5
Энтропия
Зсебека Япя отдельного материала
Дж - кг“* ■ в к -1
К-1
T t у
Облученность излучением Солнца 1 емпература
Время
Вт ■ см "2
К
Объем
ч или с
W
Скорость
см3
И;
Масса криогенного вещества Механическая работа
см с 1 г Дж
Продолжение таблицы 16.1
Z
Добротность термоэлектрического К 1 криостата
а
а.
Коэффициент поглощения—
Коэффициент поглощения солнеч- — ной энергии
Р
Угол между эклиптикой и осью град планета земля
У
Отношение удельных теплоемкое- —; град тей; угол между нормалью к поверхности и локальной вертикалью
£
6
Коэффициент излучения
Угол между нормалью к поверх- град ности и направлением на Солнце
6,
Угол между локальной вертикалью град и осью Земля-Солнце
U р
Вязкостькг-м с_3
Коэффициент отражения; удельное —; Ом см; кг м электрическое сопротивление; плот-
О
НОСТЬ„__з
Постоянная Стефана - Больцмана Вт-см 'К
Охлаждение, холодопроизводитель- — ность, см. аКв d -1
—
Удельная мощность = Вх. ( мощ- Вт вт ность/вых. мощность = ХКп ,
—
Удельная масса = Масса криоген- кг-вт ной системы или хладагента на единицу холодопроизводительности
Нижние индексы
а
Альбедо; горячий пограничный — слой
с
Конвективный, холодный пограничный слой, конус, криогенное вещество
d ER eff
Приемник
Излучение Земли
Кажущаяся или эффективная величина (если используется с к или
Гн h * max P r s
Пленка
Полусфера__
Горячий пограничный слой
Максимальный
Площадка контакта
■ Восстановление, регенерация_
Поверхность. Солнце
Обозначение
Наименование
Езмнкца измерения
Системы замкнутого цикла с использованием газовых криогенных машин (ГКМ), которые обеспечивают охлаждение при низких температурах и отвод тепла при высоких температурах.
Термоэлектрические системы охлаждения, использующие эффект Пельтье.
В табл. 16.2 приведены основные характеристики систем охлаждения различных типов (например, интервал рабочих температур, потребляемая мощность, ХК).
Криогенные жидкости, находящиеся в равновесии с их парами, могут обеспечивать функционирование удобных в эксплуатации систем термостатирования. Имеются жидкости, которые могут работать в температурном диапазоне 4.2... 240 К. Основные недостатки систем этого типа-сложная конструкция резервуара, требуемая для уменьшения испарения, прямая зависимость массы жидкости от срока эксплуатации и разделение фаз в условиях невесомости.
Жидкости можно хранить под давлением, превышающим критическую величину (сверхкритическое состояние), в виде однородной жидкой среды, тем самым исключая разделение фаз, что так важно для космических применений. Высокое сверхкритическое давление требует использования более тяжелых резервуаров, чем для нормальных жидкостей.
Твердые криогенные вещества дают возможность создавать надежные системы охлаждения для маломощных источников тепла с ресурсом 1...3 года и более в зависимости от ограничений, вводимых массой и объемом. Твердое криогенное вещество используется в системе, частями которой являются криостат с замороженным хладагентом, линия испарения в пространстве и линия поступления хладагента к охлаждаемому узлу. Среди преимуществ по сравнению с криогенными жидкостями следует отметить более высокое теплосодержание в пересчете на единицу массы или объема. С различными хладагентами достигаются температуры 10 К (водород), 60 К (метан), 125 К (двуокись углерода). К недостаткам следует отнести жесткие требования к монтажу приемника, технологии получения хладагента в криостате и регулированию его температуры. Твердокриогенные системы успешно работают в космосе [I, 2].
Простой и недорогой способ охлаждения дает система охлаждения Джоуля-Томсона, в которой расширение газа высокого давления (7-10 ...4-107 Па) через специальный дроссель приводит к охлаждению газа и обеспечивает поступление криогенной жидкости к охлаждаемому узлу. Использование гелия, водорода, аргона и азота дает возможность добиться охлаждения до температуры 4,2... 77 К (хотя некоторые из этих газов требуют предварительного охлаждения) при холодопроизводи- гельности 0,5... 10 Вт. Основное ограничение такого рода систем связано с большой материалоемкостью контейнера для хранения газа высокого давления (примерно 1,8 кг массы контейнера на 0,5 кг азота или кг на 0,5 кг водорода). Одно из преимуществ этого способа перед иными способами хранения криогенных веществ-способность к дискретной работе системы в течение долгого времени.
п¥пяаМЫИ ПР°СТ0^ и> возможно, самый надежный способ криогенного пом В космосе-использ°вание излучателя (радиатора) с отво- ' а в низко температурную окружающую среду. Такая система
Л ч л 5 X X X 2
к cd X
о п
о
=1
CD
sO
Cl
IS
X et Я X о я к: о
9 О
7. 0
x о
я Cl я с; x
X н
X CL ь< X CL «J CO о
к О 5 О и
и
CO
s о ^ Q U
х
X
Замкнутый цикл 7761Джоуля - Томсона0,5...5,0Термоэлект- Однокаскадный 230... 300 рический0,1 ... 100Многокаскад- 145... 230 ный0,01 ... 1,0Радиацион- С малым излу- 80... 100 ныйчателем0...0,Р*С большими 100...200 внешними излучателями110Замкнутый цикл 7761Джоуля - Томсона0,5...5,0Термоэлект- Однокаскадный 230... 300 рический0,1 ... 100Многокаскад- 145... 230 ный0,01 ... 1,0Радиацион- С малым излу- 80... 100 ныйчателем0...0,Р*С большими 100...200 внешними излучателями1103- кг3.102Меньшая слож- Высокая вход- ность эксплуата- ная мощность, ции, чем систем ограниченныйразомкнутого цикласрок служоы компрессора—10"1...5-10'’Малаямасса,компактность, надежность, низкая стоимостьОграниченная минимальная температураНе требуется е) »•>МО"4...310'2 Малаямасса,компактность, надежность, низкая стоимость Пассивный режим, надежность, большойсрокслужбы. низкая стоимостьВысокая входная мощность при низкой температуре Ограниченная свобода ориентации, возможность паразитных теплопри- токов и не- охлаждаемых зон при понижении температуры и повышении тепловой нагрузки3- кг3.102Меньшая слож- Высокая вход- ность эксплуата- ная мощность, ции, чем систем ограниченныйразомкнутого цикласрок служоы компрессора—10"1...5-10'’Малаямасса,компактность, надежность, низкая стоимостьОграниченная минимальная температураНе требуется е) »•>МО"4...310'2 Малаямасса,компактность, надежность, низкая стоимость Пассивный режим, надежность, большойсрокслужбы. низкая стоимостьВысокая входная мощность при низкой температуре Ограниченная свобода ориентации, возможность паразитных теплопри- токов и не- охлаждаемых зон при понижении температуры и повышении тепловой нагрузкиПродолжение таблицы 16.2,
Замкнутый цикл 7761
Джоуля - Том
сона
0,5...5,0
Термоэлект- Однокаскадный 230... 300 рический
0,1 ... 100
Многокаскад- 145... 230 ный
0,01 ... 1,0
Радиацион- С малым излу- 80... 100 ныйчателем
0...0,Р*
С большими 100...200 внешними излучателями
110
Замкнутый цикл 7761
Джоуля - Том
сона
0,5...5,0
Термоэлект- Однокаскадный 230... 300 рический
0,1 ... 100
Многокаскад- 145... 230 ный
0,01 ... 1,0
Радиацион- С малым излу- 80... 100 ныйчателем
0...0,Р*
С большими 100...200 внешними излучателями
110
3- кг3.
102
Меньшая слож- Высокая вход- ность эксплуата- ная мощность, ции, чем систем ограниченный
разомкнутого цикла
срок служоы компрессора
—
10"1...
5-10'’
Малаямасса,
компактность, надежность, низкая стоимость
Ограниченная минимальная температура
Не требуется е) »•>
МО"4
...310'
2 Малаямасса,
компактность, надежность, низкая стоимость Пассивный режим, надежность, большойсрок
службы. низкая стоимость
Высокая входная мощность при низкой температуре Ограниченная свобода ориентации, возможность паразитных теплопри- токов и не- охлаждаемых зон при понижении температуры и повышении тепловой нагрузки
3- кг3.
102
Меньшая слож- Высокая вход- ность эксплуата- ная мощность, ции, чем систем ограниченный
разомкнутого цикла
срок служоы компрессора
—
10"1...
5-10'’
Малаямасса,
компактность, надежность, низкая стоимость
Ограниченная минимальная температура
Не требуется е) »•>
МО"4
...310'
2 Малаямасса,
компактность, надежность, низкая стоимость Пассивный режим, надежность, большойсрок
службы. низкая стоимость
Высокая входная мощность при низкой температуре Ограниченная свобода ориентации, возможность паразитных теплопри- токов и не- охлаждаемых зон при понижении температуры и повышении тепловой нагрузки
ПринципТип криостата
работы
Диапазон рабочих температур, К
Холодопроизво- Входная дительпость, Вт мощност ь
хк
Преимущества
Недостатки
Механичес- Цикл Вюлсмье кая холо-
10...770
...IS"’—
3-10 *...210
2 Непосредствен-
Малый опыт
дильндя ма-
ный привод ОТ ИС-
эксплуатации.
точника тепла,
повышенная
шина
большийсрок
входная мош-
службы, чем с
ность
циклами Стирлинга или Джиффорда - Макмана
Цикл Стирлинга
10...770
...15е)—
10'э...5-10"2
Минимальная
Ограниченный
входная мощность, компактность, обширный опыт эксплуатации на земле и в воздухе
срок службы
Цикл Джиффорда - Мак- мана
10...770.
..15е)
2-10"4... 10'2
Целенаправленная разработка
Высокая входная мощность;
для применения
ограниченный
Цикл Брайтона, турбин-
в авиации: возможность дистанционного охлаждения благодаря расщепленному циклу
Срок службы
4,2...77,010
...100—
10 4...5-10'3
Максимальный
Максимальная
ный и поршневой
срок службы благодаря использо-
входная мощность; требуется
ванию газовых
значительная
подшипников;
доработка кон-
высокая холодо- производитель-
струкции
—
ность
^
■• 0 обозначает величину порядка 1 мВт.
6> Азот или воздух в качестве рабочего тела.
11 Без учета потребности системы терморегулирования.
работает в пассивном режиме, обладает малым или нулевым энергопотреблением, отличается исключительной надежностью в течение долгого времени. Излучатель должен быть экранирован от солнечного излучения, излучения космического корабля (КК). на котором он уста- новэен или прямого либо отраженного гсплового излучения Земли и ее атмосферы, если КК обращается по околоземной орбите. В этом случае основное ограничение связано с быстрым увеличением размера излучателя для получения более низких температур и паразитных теплоприто- ков на излучатель. Радиаторы существующих конструкций способны обеспечивать охлаждение в температурном диапазоне от 85 К при милливаттных нагрузках до 135 К при нагрузках до 5 Вт [3, 4].
Системы, работающие по циклу Стирлинга (ГКМ), разрабатываются и изготавливаются для наземных транспортных средств, летательных аппаратов (ЛА) и КК. Эти системы наиболее эффективны, с точки зрения энергопотребления, при температурах не ниже 10 К. Системы, работающие по циклу Вюлемье, имеют больший срок службы, чем системы, работающие по циклу Стирлинга. Они обладают тем потен
циальным преимуществом, что получают питание непосредственно от источника тепловой энергии. Известны примеры успешной эксплуатации систем, работающих по циклу Вюлемье, в космосе [5]. Два высокопроизводительных трехкаскадных устройства охлаждения по циклу Вю- ле.мье, созданные для долгосрочной эксплуатации в космосе, проходят испытания на долговечность [6. 7].
Системы с раздельными элементами (системы Джиффорда-Мак- мана/Солвея) создавались специально для ЛА. Для них характерен наибольший срок службы без технического обслуживания (примерно 3000 ч). Однако из-за низкой эффективности эти системы отличаются большими массой и энергопотреблением, чем системы Стирлинга и Вюлемье (см. табл. 16.12).
Турбохолодильные и ротационно-компрессорные машины, работающие по циклу Брайтона или Клода, используются в температурном диапазоне ог 4 до 40...50 К. Малая эффективность турбохолодильных машин отраничивает их применение в тех случаях, когда необходима большая производительность. Системы обоих типов имеют большие возможности в тех случаях, когда требуется экстремально долгий срок службы, так как в них применяются газовые подшипники. Элементы этих машин уже разработаны и изготавливаются [8, 9], однако имеется мало данных об условиях эксплуатации и эксплуатационных характеристиках машин.
Ни одна из созданных к настоящему времени механических систем охлаждения не может работать более нескольких тысяч часов без технического обслуживания.
Для криогенного охлаждения маломощных источников тепла можно использовать термоэлектрические системы, основанные на эффекте ельтье. Этот способ отличается простотой, надежностью, малой мае-
сой аппаратуры. Основное ограничение способа малая эффективность Максимальная разность рабочих температур между горячим и холодным спаями возможна в диапазоне производительности от 10 мВт при 180 К до 30 Вт при 250 К (в обоих случаях принимается, что тепло отводится на тепловой резервуар при 300 К). Имеются опытные образцы систем, работающих при минимальной температуре 170 К. Разрабатываются системы, работающие при температуре 145 К (в холостом режиме) [Ю].
ХАРАКТЕРИСТИКИ КРИОГЕННЫХ ВЕЩЕСТВ
Диапазон рабочих температур некоторых хладагентов
На рис. 16.1 представлены температурные диапазоны хладагентов для разомкнутых циклов на основе тепла сублимации или испарения. Предельные значения диапазонов взяты для каждого хладагента по минимуму, исходя из твердой фазы при давлении 0.1 мм рт. ст., и по
I
I
WO
8
125,0
120
^ 100
80
60
*7,8 *8,1
40
го
2
3
в-
* У
59,8
33,2
•Я П
133,8
126.0 П
Жидкая (раза Твердая фаза
405^
I
1
150,0\
I
о
5с G У
□ 83J
Не Н2 Ne Nz СО Ar 02 СН4 С02 NH4
Хладагент
Рис. 16.1. Диапазон рабочих температур некоторых хладагентов для разомкнутых систем охлаждения.
/критическая гонка; 2 точка кипения при давлении I атм; J тройная гонка: 4 максимальная температура твердого вещества при давлении 0.1 мм pi. ст.
Таблица 16.3. Свойства жидкостей, газов, хладагентов и топлив [И]
Элемент или соединение
Температура кипения при давлении 1 атм. К
Темпера- Плот- - тура плав- ность ления при жидкое давлении ти при 1 атм. К темпера
Плотность газа при - температуре 273 К - и давле-
Плотность пара при температуре кипения.
- Давление лара твердого тела при температуре
Теплота Теплота испарения плавления при темпе- Дж г 1 ратуре кипения.
Критическая температура, К
Критическое давление, атм
Критический объем л • г" *
туре ки
пни 1 атм,
гл"'
плавления
Дж • г"1
пения,
Г МЛ - 1
гл"1
мм рт. ст.
Гелий
Не3
3,2
-1,0”
—
Гелий
Не4
4,2
-2,0г)
0,125
0,1735
17,0
—
20,5
4,183
5,2
2,26
0,0144
Водород
И 2
20,39
13,98
0,071
0,0899
1,286
54,0
448,0
58,15
33.19
12,98
0,03321
Дейтерий
D?
23,6
18,7
0,173
0,167
2,58
12,8
286,0
50,0
38,3
16,2
0.0142
Тритий
Т?
25,1
21,6
—
—
—
188,0
—
—
43,7
20,8
0.0089
Неон
Ne
27,2
24,47
1,2
0,901
9,5
323,0
87,0
16,72
44,5
26,8
0,002
Азот
n2
77,37
63,4
0,808
1,250
4,415
96,5
199,0
25,52
126,1
33,5
0,00321
Окись углерода
СО
81,6
68,0
0,812
1,186
—
—
213,5
29,27
138,8
35,0
0,0032
Фтор
р2
85,24
53.6
1,513
1,71
—
0 1
171,5
13,4
144,8
55,0
Аргон Кислород Метан Криптон
Ar
О2 сн4 Кг
87,4
90,1
111,7
120,3
83,6
54,9
90,7
116,0
1,391 U4 0,425
2,4
1,78
1,43
0,72
3,75
5,03
4,75
1,76
8,33
516,0
2,0
71,0
550,0
162,7 212,5 581,0
108,0
28,05
13,8
60,25
16,3
150,8
154,1
190,5
209,3
48,0
50,1
45,8
54,5
0,0019
0,0023 0,008
Фреон-14
СР4
145,14
89,5
1,62
—
7,2
—
134,8
227.5
37,0
Озон
Ксенон
Оз
Хе
161,3
165,3
80,5
150,5
1,46
3,1
2,14
5,93
9,77
615.0
316,0
96,25
13,8
119,1
261,1
290,0
54,6
58,0
0,00306
0.00086
Этилен
С2Н4
169,3
104,0
0,578
1.19
2,08
481,0
148,5
282,8
50,9
0,0045
Закись азота
n2o
183 6
183,0
1,23
1,84
—
858,0
250,2
95,0
399,7
71,7
0.0022
Этан
С2Н6
184.8
90,0
0,562
1,28
0,32
—
490,0
96,25
305,0
48,8
0,6048
Ацетилен
С2Н2
189,1
191,2
0,623
1,09
—
—
916,0
—
309,0
62,0
—
Фреон-13
CC1F3
192,0
91,6
1,505
—
7,9
—
146,4
179,9
302,0
3,9
—
Двуокись углерода
со2
194 6
215,7
1,51
1,87
—
—
574,0
71,6
304,5
73,0
0,0022
Пропилен
с3н6
226,1
77,5
0,604
1,78
—
—
439,5
-^
365,0
45,0
—■
Фреон-22
CHC1F2
232,5
113,0
1,414 21,3
4,65
—
235.0
35,15
369.0
48,7
—
Аммиак
NH3
239,8
195,0
0,683
0,77
0,898
45.0
1363,0
—
405,0
111,2
0,0042
Фреон-12
CC12F2
243,1
118,0
1,488 1
17,7
6,25
—
167.2
384.0
39,6
—
Хлорметил
CH3C1
249,4
—
0,993
5,93
2,56
—
427,0
—
—
—
—■
Двуокись серы
so2
263,1
198,0
0,80
4.49
3,2
—
388,0
—
430,0
77,7
0,002
Бутан
с4н10
272.5
—
—
2,53
—
—
—
426,0
36,0
—
Фреон-11
CC13F2
296,8
162,7
1,48
2,47
5,93
—
237,3
—
471,0
43,1
—
Пропан
C3H8
230,8
85,9
0,595
1,92
2,08
—
342,0
79,9
370,0
42,0
—
•* Под критическим объемом понимается объем при критических температуре и давлении.
6 Изотопы водорода.
* При давлении 25 атм.
г) При давлении 29 атм.
максимуму, исходя из примерного значения критической точки. При правильном выборе хладагента для данных условии окружающей среды охлаждение может происходить примерно с температуры 2 К до более чем 300 К. В табл. 16.3 приводятся термодинамические свойства некоторых веществ.
СИСТЕМЫ РАЗОМКНУТОГО ЦИКЛА
В системах разомкнутого цикла (т.е. системах расходного типа или так называемых системах с невозвратным хладагентом) используются газ высокого давления, подаваемый через дроссель Джоуля-Томсона, криогенная жидкость в нормальном или сверхкритическом состоянии и, в специальных применениях, твердое криогенное вещество. Этим системам свойственны такие преимущества, как простота, надежность, относительная экономичность и столь малое энергопотребление, что им можно пренебречь. В большинстве случаев технология таких систем хорошо отработана. Основные недостатки криогенных систем этого типа - ограниченный срок службы из-за теплопритоков и значительное увеличение массогабаритных характеристик с увеличением времени экс- . плуатации. Хотя системы высокого давления с дросселем Джоуля - Томсона могут быть сконструированы таким образом, чтобы обойти ограничение по сроку службы, неблагоприятные факторы, связанные с хранением газа высокого давления, приводят к тому, что возрастание массы с увеличением срока службы исключает использование систем данного вида.
Криогенные жидкости используются для охлаждения на военных ЛА, однако стоимость таких веществ и проблема материально-технического обеспечения становятся серьезными недостатками. За последние годы многие военные системы переведены на газ высокого давления, системы на эффекте Джоуля-Томсона и системы механического охлаждения. Кроме того, используются и замкнутые системы на эффекте Джоуля - Томсона.
Системы охлаждения разомкнутого цикла на основе газообразных хладагентов *
и эффекта Джоуля-Томсона
В системах разомкнутого цикла на основе эффекта Джоуля-Томсона необходимое охлаждение достигается благодаря прохождению газа высокого давления (7-106-4- 107 Па) через дроссель (рис. 16.2). Интегральный эффект Джоуля-Томсона определяется отношением изменения температуры к изменению давления в процессе дросселирования или расширения (с постоянной энтальпией) без переноса тепла или выполнения работы. При нормальных температуре и давлении в идеальном газе в процессе дросселирования интегральный эффект Джоуля-
Рис. 16.2. Схема криогенной системы Джоуля-Томсона.
/-баллон с газом высокого давления; 2 осушитель газа и фильтр; 3-регулятор противодавления (по требованию заказчика); 4- теплообменник (ребристая трубка); 5 дроссельный клапан (с фиксированным или регулируемым дросселем); 6 приемник жидкой фазы. LN2 жидкий азот.
Томсона равен нулю. Однако в рабочем газе, находящемся под высоким давлением и(или) при низкой температуре, молекулярные силы вызывают в процессе расширения изменение внутренней энергии, которое приводит к охлаждению газа. Расширившийся охлажденный газ, обмениваясь теплом с вновь поступившим газом, охлаждает его. Таким образом осуществляется регенеративное охлаждение. Процесс продолжается до тех пор, пока на отверстии дросселя не начинается образование конденсата, что приводит к появлению большого количества жидкости при температуре охлаждения газа. Для газов этот эффект происходит лишь при температуре ниже точки инверсии (40 К для гелия, 204 К для водорода, 250 К для неона), вследствие чего прежде чем начнет действовать эффект дроссельного охлаждения (эффект Джоуля-Томсона), необходимо предварительное охлаждение до указанной температуры. Точка инверсии большинства других газов (азот, аргон, воздух) соответствует температуре выше комнатной, и такие газы не требуют
предварительного охлаждения.
Криостат Джоуля-Томсона состоит из ребристой трубки в форме катушки, дросселя с крышкой и внешнего экрана или катушки. Ребристая трубка с очень малым внутренним диаметром обеспечивает большое отношение площади поверхности к объему, необходимое для эффективного теплообмена. В криостатах с фиксированным диаметром дросселя поток хладагента изменяется с изменением давления. Гаким образом, нужное охлаждение обеспечивается при одном определенном значении давления (рис. 16.3). Для традиционных систем Джоуля Томсона характерен существенный недостаток, заключающийся в неэффективном соотношении давления и результирующего охлаждения. В последнее время созданы саморегулирующиеся криостаты с дросселями переменного диаметра, в которых либо достигается более правильное соотношение, либо компенсируется изменение отношения теплоемкость-нагрузка или постоянное уменьшение проходного сечения.
Типичные криостаты Джоуля-Томсона. В табл. 16.4 представлены
Рис. 16.3. Зависимость холодопроизводительности от давления на входе идеального криостата Джоуля-Томсона [13].
Температура газа 300 К. Расход газа (л/мин) соответствует давлению 1 атм и температуре 273 К. Жидкая фаза под давлением I атм.
характеристики типичных криостатов Джоуля-Томсона. Применение гелия, водорода, аргона и азота в качестве хладагентов обеспечивает охлаждение в диапазоне 4,2.. .87,4 К при производительности 0,5...10 Вт. На рис. 16.4 показан типичный криостат Джоуля-Томсона. Системы Джоуля-Томсона изготавливаются как для гражданского, так и для военного применения (например, в головках самонаведения ракет Sidewinder и Falcon), а также для использования в космосе. Так, модель АС-2 фирмы Air Products использовалась в программе Mariner и обеспечивала охлаждение аппаратуры до примерно 23 К в течение 30 мин [12].
Хранение газа высокого давления при температуре окружающей среды. Неотъемлемой частью процесса разработки и оптимизации сосудов высокого давления является минимизация объема контейнера путем повышения давления содержащегося в нем вещества без чрезмерного увеличения массы сосуда. При давлениях выше примерно 1000 атм сжимаемость газов уменьшается, так что возможность экономии объема весьма незначительна. Коэффициенты сжимаемости обычных газов можно найти в справочнике Kunkle (ed.).
На рис. 16.5 и 16.6 приведены кривые, построенные по способу наименьших квадратов на основе эмпирических данных и характеризующие массу, объ-" абочее давление цилиндрических и сферических оаллоюв для веского давления, предназначенных для приме-
оо
Ch
2
as
х
Ch
и ей ей V)
oo
S
Ch
X оЛ Г- со оо о
03
*А^.Ю х = СО М я 5 = 40 ^ ” = ГО
т"
'Л'о.ю 7 ь ^^^05 о е; ср ;
о X я
<
6 X
• я
3
*
2«А
5”
О 20
2
Таблица 16.4. Характеристики криостатов Джоуля-Томсона на газе высокого давления
и < S
X
& 5 о ш
о
E .>-. X
U < S
04 7 оо *^
x =
о о Z
Z
oo I
z
о
Z
e
"M
О
S«
X
О
x
О ex R
id Я я
о X я о
о X
V и X Kt о ®
X X о R
2 н я
оо
® о
X 2
R
5 о
X
О 0 7 — 00
85
5- X
я
О —^„
42 7Vi'l
04 ~ 04 “
U |
RRX^Rv" ЯГ 04 -Z 'О X
С4 о О
<
S
2ОX
X
ОО Г, |О 7 О 4.
oo
00
8 г О ю я
vо
х я
2 X X X 5
о
^
оо
X
е
О 04
3 и
5 2>yoi х
й । о
и
’t я Си
I S-e-i &
С
0-С
3
о ГП
iS-
а.
04 X О
н X 1 СО
о С4
ос Ооо
said <
аё
О
и
я оно t
О 04
X е
OOV-I я у
53 0
О О Ч>
X X е
Г4О4Ф m IT) я у ^^^“-
*zN 5^ 0
oo
о х X е
8
oo
2 f- л
Л
о
X о Н X
w X
х х о
со
к? О ц о
о х X е
ж X X 8 X я 5
к
5
8 о
2 2
« 5
о о. Kt £
^ 2
§1
04 0°
Юя
oi
о
is
з a V 2 я я
V
X
2 2
я х X
s
2
V 2 я
v X
X о X я
§55 о
X X я У о 2 X
я сх
XX
X X г о &
X
Z
пл К К Учитывается только масса основной конструкции такой вспомогательной аппаратуры, как предохранитель.
1 Отельный и запорный клапаны, а также соответствующие ^бопповоды Результирующие уравнения основаны главным образом на данных для баллонов, рассчитанных на рабочее давление выше "10S Па и имеющих объем 0,164.. .0.655 м3. В указанных диапазонах объема и давления погрешность этих данных составляет примерно + № Что же касается давления ниже 2-107 Па и объема менее 0,164 м3, ' I да ограничения вводятся иными факторами (например, минимальной иеной деления измерительного прибора), зависимости, показанные на рис. 16.5 и 16.6. не обязательно справедливы, а точность неопределенна.
Системы охлаждения криогенными жидкостями
Криогенную жидкость можно хранить в виде равновесной смеси жидкости и пара. т.е. в виде нормальной жидкости, или в виде однородной жидкости при высоких давлении и температуре, т. е. в виде сверхкрнтической жидкости. В лабораторных условиях или на борту ЛА хладагент обычно хранится в жидком двухфазном состоянии, так как это позволяет упростить конструкцию и уменьшить массу криостата, а также обеспечить постоянный самопрнток хладагента под действием силы тяжести.
Т°Р,°МЯ “^ Ф"^ А'3 Р^ие15 and С^а„ |пс
Рис. 16.5. Масса цилиндрических емкостей высокого давления с учетом технологических факторов.Рис. 16.5. Масса цилиндрических емкостей высокого давления с учетом технологических факторов.Соотношение длины и диаметра цилиндрической емкости не включено в уравнение 8 = 2,0-10-8 И1-067 р1-5 /-"S1,36. где 5-масса емкости (единица измерения 0,41 кг), V объем (ед. измер. 16,4 см3); Р-рабочее давление (ед. измер. 7-103 Па); FS = 1,5-коэффициент безопасности.Соотношение длины и диаметра цилиндрической емкости не включено в уравнение 8 = 2,0-10-8 И1-067 р1-5 /-"S1,36. где 5-масса емкости (единица измерения 0,41 кг), V объем (ед. измер. 16,4 см3); Р-рабочее давление (ед. измер. 7-103 Па); FS = 1,5-коэффициент безопасности.
Рис. 16.5. Масса цилиндрических емкостей высокого давления с учетом технологических факторов.
Рис. 16.5. Масса цилиндрических емкостей высокого давления с учетом технологических факторов.
Соотношение длины и диаметра цилиндрической емкости не включено в уравнение 8 = 2,0-10-8 И1-067 р1-5 /-"S1,36. где 5-масса емкости (единица измерения 0,41 кг), V объем (ед. измер. 16,4 см3); Р-рабочее давление (ед. измер. 7-103 Па); FS = 1,5-коэффициент безопасности.
Соотношение длины и диаметра цилиндрической емкости не включено в уравнение 8 = 2,0-10-8 И1-067 р1-5 /-"S1,36. где 5-масса емкости (единица измерения 0,41 кг), V объем (ед. измер. 16,4 см3); Р-рабочее давление (ед. измер. 7-103 Па); FS = 1,5-коэффициент безопасности.
В условиях космоса отсутствие силы тяжести или ускорения ориентированных сил не дает возможности использовать обычную двухфазную систему хранения криогенной жидкости, если только не применять специальные капиллярные удерживающие устройства, так как случайная ориентация жидкой фазы в условиях невесомости не обеспечивает постоянной связи между жидкой фазой и каналом подачи хладагента. В настоящее время хранение криогенных жидкостей в космических системах осуществляется путем сжатия вещества до сверх- критического, или однофазного, состояния. Отсутствие силы тяжести или ускорения других сил не влияет на подачу жидкости, так как канал подачи все время непосредственно контактирует с относительно одно
родной жидкостью.
Согласно рис. 16.1 и табл. 16.3, температура сжижения газов может изменяться в пределах 2...300 К. Изменение давления обеспечивает изменение температуры сжиженного газа, необходимое для охлаждения газа от тройной точки до критической.
Имеется два основных типа жидкостных систем: непосредственною
Рис. 16.6. Масса сферических емкостей высокого давления с учетом технологических факторов.
Уравнение В = O.OOO373 И0-86 PQA9 FS0-70, где В масса емкости (единица измерения 0.41 кг); У-объем (ед. измер. 16.4см3); P-рабочее давление (ед. измер. 7-Ю3 Па); FS = 1,5-коэффициент безопасности.
контакта и с подачей жидкости. В системе непосредственного контакта приемник, находится в непосредственном тепловом контакте с жидким хладагентом. В криостатах с подачей жидкого хладагента приемник и баллон физически разделены, а подача осуществляется по трубопроводу. В табл. 16.5 приводятся характеристики имеющихся на рынке систем обоих типов. В типичных схемах, приведенных на рис. 16.7, приемник смонтирован внутри криостата, который выполняет функции крепления приемника и хранения хладагента. Ограничением для криостата непосредственного контакта может быть положение в пространстве, в котором он эксплуатируется. Криостат должен сохранять практически вертикальное положение, с тем чтобы хладагент все время физически контактировал с приемником. На ДА и в следящих системах, где приемник поворачивается на 360°, тепловой контакт между хладагентом и приемником поддерживается независимо от положения криосчата благодаря медным проводящим пластинам, остающимся в контакте с хладагентом (рис. 16.7,5). На рис. 16.7, в показан типичный ла ораторный криостат, выполненный из стекла по разомкнутой схеме.
Система с подачей жидкого хладагента (рис. 16.8) состоит из изо- е^кости с хладагентом, трубопроводов, охлаждаемой необходимых управляющих элементов. Подача хладагента
Рис. 16.7. Криостаты непосредственного контакта (размеры в мм).
a-типичный металлический гелиевый криостат SBRC 9145-1 [15]. А = 162,6 мм; В = 137,2 мм, С = 233,7 мм; D = 152,4 мм. 6-криостат непосредственного контакта с регулируемым положением. 7-монтажные сверления с резьбой, расположенные равномерно по днищу криостата, 2-электрический соединитель; 5-монтажно-предохранительный клапан вакуумной линии. 4-резьбовое гнездо специального предохранительного клапана; 5-стандартная пробка, 6-охлаждаемое окно к приемнику; 7-окно толщиной 2 мм; 8-холодный фильтр (поставляется по требованию заказчика); 9-радиационный экран; /0-вакуум; /У-защитный корпус (сверхизоляция); /2-медные теплопроводящие пластины; 13- хладагент; 14-приемник, 75-окно, прозрачное в ИК-диапазоне; 76-медный крепежный узел.
осуществляется силой тяжести или давлением газа. Давление газа, перемещающее хладагент из емкости к охлаждаемой головке, лре^ ставляет собой либо естественный перепад давления, возникающий в результате нагрева емкости с жидкостью поступающим извне теплоМ> либо давление, создаваемое в ходе операции заполнения.
В табл. 16.6 приводятся характеристики различных крупногабарит-
зрения.зрения.ПриемникПриемник22РИС. 16.8. криогенная система с пода^ ^"^^^^РИС. 16.8. криогенная система с пода^ ^"^^^^Емкость с хладЕмкость с хладагентомагентом
зрения.
зрения.
Приемник
Приемник
2
2
РИС. 16.8. криогенная система с пода^ ^"^^^^
РИС. 16.8. криогенная система с пода^ ^"^^^^
Емкость с хлад
Емкость с хлад
агентом
агентом
ковара; 3-контактный э
5-охлаждаемая головка» о кл
ный клапан.
Фирма-изготовитель,рабочее телоФирма-изготовитель,рабочее телоПрограммаПрограммаДавле-Габаритывис, атмдлина6), внешний объем, см диаметр, м3 смДавле-Габаритывис, атмдлина6), внешний объем, см диаметр, м3 смТаблица 16.6. Примеры крупногабаритных высококачественных криостатов для авиакосмических систем (вся инйюпмапия получена путем частных обращений к соответствующим фирмам)0’и
Фирма-изготовитель,рабочее тело
Фирма-изготовитель,рабочее тело
Программа
Программа
Давле-Габариты
вис, атм
длина6), внешний объем, см диаметр, м3 см
Давле-Габариты
вис, атм
длина6), внешний объем, см диаметр, м3 см
Масса, Ki Материалы ", (оболочка Теплопритоки при под давлением/внешняя комнатной темпе- оболочка)ратуре
пустой жидкость
Кислород; водород
1. Airesearch (О2)
MOL
61 r)
87.1
0,34
76
324
Inconel 718/A1 2219
7,25
3,09
2. Airesearch (О2)
Gemini
69 r)
—
58,2
0,07
31
82
Inconel/T итан
4,45
ф2
3. Beech (О2)
Apollo
62 r)
—
67,3
0,14
41
150
Inconel 718/Inconel 750
7,97
6,43
4. Airesearch (N2)
707 Galley
3,8
109,7
59,9
0,16
79
113
Нержавеющая сталь 304
Нержавеющая сталь
304
Нержавеющая сталь 304
Нержавеющая сталь
5. Airesearch (N2)
727 Galley
3,8-5,5
60,7
42,9
0,04
27
32
—
—
6. Airesearch (N2)
747 Galley
3,8-5,5
138,4
52,1
0,20
93
168
—
—
7. Essex (O2)
C-5.C-141
21
—
61,0
0.08
34
85
—
8. Airesearch (O2)
Разработка
14
—
65,3
0,07
44
84
85
Нержавеющая сталь
3,34
5,36
9. Beech (O2)
ОТТА (испытания)
10
.—.
276,0
6,42
-907
7,135
2169
Алюминий
3,83
0,21
10. Beech (O2)
Shuttle
66r)
—
93,7
0,32
97
367
Inconel 718/А1 2219
6,15^
2,23
Водород
11. Beech
Shuttle
I9,7r)
115,8
0,60
90
44
AI 2219/А1 2219
1,93
1,00
12. Airesearch
MOL
19,3r)
1
108,2
0,54
57
38
Al 2219/А1 2219
I 98
0,60
13. Airesearch
Gemini
17,2
——
73,4
0.15
21
10
Титан
1,58
LM
общий удель-
VQV Вт ный
(QM),
Втм 1
Beech
Airesearch
Beech
Гелий
Airesearch
Beech
Minn. Valley,
Apollo Разработка HTTA (испытания)
Apollo LM Apollo AGE Коммерческая
16,9 6,9 3,4
90r) 1,01 1,04
615,5
91,4
137,2
80,8 79,0
279,4
83,8 190,5 198,1
0,19 0,16 22,65
0,17 1,25 1,85
36
24
2,132
52
161
794
13
11
1,597
22
84
125
Титан
Нержавеющая сталь 2169
Алюминий
Титан
Алюминий 6061
Нержавеющая сталь
1,46 0,87 5,0
2,3 0,32 0,34
0,92 0,61
0,11
1.06
0,32
Engr.
Criogenic Engr.
Airesearch
Коммерческая NASA HEAO
1,04 1,0
111,8
237,5
182,9
182,9
1,03
3,63
354
609
69
431
Нержавеющая сталь Алюминий 2219
0,23 0,22
0,016
22. Beech
ELMS
6,2 й
214,4
115,3
1,27
147
159
Al 2219/А1 6061
Переменный
Прочие
23. Beech (N2O)
Бортовые испы
152rj
—
86,4
0,20
237
201
Al 2219/А1 6061
22,0
11,04
24. Beech (CO)
тания
Бортовые испы-
152r>
—
98,6
0,20
328
170
Al 2219/А1 6061
38,7
12,93
тания
« Airesearch Mfg. Со,, Torrance. СА; Beach Aircraft Corp., Boulder, CO; Cryogenic Engineering Co.. Div. of Cryogenic Technology, Inc., Denver, CO; Essex Cryogenics, Inc., St. Louis, MO; Minnesota Valley Engineering, Inc., New Prague, MN..
6> Криостаты без указания длины имеют сферическую форму
■* Одно наименование означает, что для обеих оболочек используется один и тот же материа
г> Сверхкритическое состояние хладагента.
При температуре 66 С.~,
ных криогенных криостатов, предназначенных для ЛА или КК, а также некоторых криостатов гражданского назначения. Как правило, в этих криостатах используются вакуумные многослойные изолирующие покрытия и в некоторых случаях жесткие радиационные экраны, охлаждаемые выпускаемым паром, что способствует минимизации тепло- притоков и удлинению срока службы. Получила дальнейшее развитие технология, применявшаяся в системах хранения жидких кислорода и водорода'на КК Gemini и Apollo, что дает возможность хранить такие жидкие вещества, как водород и гелий, в течение года и более в космических условиях (табл. 16.6, поз. 9, 16 и 21).
Подающие трубопроводы. Гибкие вакуумные суперизолированные линии подачи самых различных размеров и прочности обеспечивают эффективную подачу криогенных жидкостей с малыми теплопритоками. В табл. 16.7 приводятся характеристики гибких криогенных трубопроводов и соответствующие коэффициенты теплопритоков при подаче гелия (при комнатной температуре).
Таблица 16.7. Типичная теплопотеря для вакуумированных (10 5 ммрт. ст.) гибких криогенных трубопроводов** [16]
Номинальный размер шланга, см
Внутренний диаметр внутреннего шланга, см
Внутренний диаметр наружного шланга, см
Теплопотеря на 1 м длины. Вт
Минимальный диаметр изгиба, см
0.635
0,3175
5,715
0,29
12,70
0,127
1.27
7.239
0,38
13.97
1,905
1,905
8.89
0,48
15,24
2,54
2,54
10.414
0,54
18,415
3,81
3,81
12,573
0,63
27,94
5.08
5,08
13,589
0,70
38,10
6.35
6,35
16.51
0,81
48,26
7.62
7,62
16,51
0.88
58.42
8,89
8,89
19,304
1,00
68.58
10.16
10,16
20,955
1,09
76 20
12.70
12,70
24,384
1,25
93,98
15.24
15.24
26,924
1.39
111,76
_ ** Величины теплопотерь основаны нои температуре окружающей среды.
на данных о перекачке жидкого гелия при комнат-
Системы охлаждения с твердым хладагентом
Описание и рабочие характеристики. Система охлаждения, основанная на сублимации твердого хладагента в глубоком космическом вакууме, позволяет избежать ряда проблем, связанных с хранением жидкого хладагента в нормальном или сверхкритическом состоянии. Такая система состоит из отвержденного вещества, изотермического контейнера, линии выпуска газа в пространство и линии подачи хладагента
К охлаждаемому устройству. Рабочая температура зависит от вида хладагента и поддерживаемого в системе давления выпуска газа. Время работы системы зависит от количества хладагента и тепловой нагрузки Холодопроизводительность определяется теплом сублимации, равным сумме теплоты испарения и теплоты плавления.
К преимуществам систем с твердым хладагентом перед жидкостными системами относятся независимость от рабочего положения, хранение большей массы и меньшая температура твердой фазы, повышающая чувствительность некоторых ИК-приемников.
Свойства криогенной системы. Работа криогенной системы с твердым хладагентом основывается на связи давления и температуры твердого тела, находящегося в равновесии с его паром. Дополнительное количество тепла сублимирует твердый хладагент, увеличивая давление пара, и тем самым вызывает повышение температуры. Давление и температура поддерживаются на постоянном уровне путем выпуска пара в пространство до соответствующего уровня давления. Обычно в конструкции криостата отсутствуют клапаны, а для поддержания заданного давления предусматривается трубопровод выпуска газа.
На рис. 16.1 показаны номинальные диапазоны рабочей температуры. достижимые с помощью твердого криогенного вещества. На рис. 16.9 более точные значения температуры даны в зависимости от давления пара, скапливающегося над хладагентом. Указанный диапазон давления пара изменяется от 0,1 мм рт.ст. (минимальная величина, которую можно реализовать на практике) до величины, соответствую-
Рис. 16.9. Связь рабочей температуры с давлением пара для различных твердых криогенных веществ.
3 азот;6- метан;-аммиак:3 азот;6- метан;-аммиак:1 - водород; 2- неон; 4-аргон; 5- кислород;
3 азот;
6- метан;
-аммиак:
3 азот;
6- метан;
-аммиак:
7 двуокись углерода; 8 9-тройная точка.
Криогенные системы
охлаждения
Та6шмя 16.8. Некоторые свойства твердых криогенных веществ
Химическая
Наименование
Теплота сублимации,
Плотность твердого
Диапазон рабочих температур, К
формула
Дж/г
хладагента
при темпера- ратуре плав-
0,1 ммрт.ст
тройная
лення, кг м
точка*1
NH3
Аммиак
1718.9
821.8
150,0
195,4
со; сн;
Двуокись углерода Метан
573.6
568,7
1562,0 498,2
125,0
59,8
215,7
90,4
О2 Аг
Кислород Аргон
226.8
185.6
1302,4
1714,0
48.1
47,8
54,9
83,6
СО
Окись углерода Азот
293,1
224.7
929,2
1022.1
45,5
43.4
68,0
63,4
1'2 Ne
Неон
105.8
1438.6
13,5
24.5
н2
Водород
508,2
80,4
8,3
13,98
*' Соответствует самой высокой температуре, при которой может существовать твердая фаза.
Рис. 16.10. Схема криостата на твердых аргоне и двуокиси углерода, предназначенного для охлаждения ИК-приемника [18]. /-клапан для выпуска аргона; 2 медный стержень к ИК-тепловой нагрузке; 3 клапан для выпуска двуокиси углерода; 4 СО2 (125 К); 5 трубопровод, охлаждаемый СО2; б -Аг (50 К); 7 изоляция.
Твердая I С02Твердая I С02ТвердаяС02ТвердаяС02
Твердая I С02
Твердая I С02
ТвердаяС02
ТвердаяС02
Рис. 16.11. Криостат на твердой двуокиси :углерода. предназначенный для космиче спектрометра гамма-излучения /-полимерный сцинтиллятор; 2-вакУУм“аа КР^^. ка; J-лсгкая трубка; 4-фотоумножитель, термоэлемента; б-нержавеющая сталь. ? * Р • из германия (лития); 8-экран из материал кой плотностью.
Aerojet General (A ESC)
Lockheed (LMSC)
Aerojet/Gcncral (A ESC)
Ball Brothers Research Corp.
Aerojct/General (AESC)
Lockheed (LMSC)
Lockheed (LMSC)
Характер программы
Эксл ер мен-
Эксперимен-
Конструк-
Эксперимен-
Эксперимен-
Эксперимент
Nimbus-F
тальная
тальная
торская
тальная
тальная
на орбите
Назначение
Охлаждение
Охлаждение
Хранение
Охлаждение
И К-телескоп
Эксперимент
Измерение
ИК-прием-
ИК-прием-
кислорода
ИК-прием-
с гамма-
излучения
Рабочая темлерату-
ника
ника
ника
излучением
земного лимба
58
50
12...54
76
78
130
65
ра, К
Рабочее давление
29,4
0,06...0,15
0,01 ...2,0
189
0,1
0,1
хладагента, мм рт. ст.
Расчетный срок службы, сут.
41,6
1 год
250
1 год
210
1 год
1 год
Основная тепловая нагрузка, мВт
750
25
—
14,3”
100
100
Суммарный паразитный теплоприток, мВт
310
102,6
200
134,7
240
355
Общая масса системы,
17
15
—
26
48
23
25
КГ
Хладагент/масса, кг
Азот/12
Аргон /16;
Кисло-
Аргон/4,1;
Метан
СО2/15
Метан/Ам-
Конфигурация
Длина, см
Цилиндр 25
СО2/4,0 Цилиндр 22
род / 94 Сфера
СО2/5,0 Цилиндр 56
Цилиндр 56
Цилиндр 41
миак/13 Цилиндр 66
Диаметр, см
25
22
61
33
46
37
36
П родолжител ьность простоя,61 сут.
4,5
17
250”
20
Заказчик программы
ВВС, лаб.
НАСА
ВВС. лаб.
Коммерче-
НАСА
ВМС
НАСА
динамики
материалов
ская разработка
——114-■ ■ч—■'■
Состояние программы
Завершена
Завершена
Завершена
Испытания
Завершена
Запуск 20.10.72
Запуск 07.75
1
Источник
17
18
19
20
Частная информация
2
1
Таблица 16 9. Примеры криостатов на твердых криогенных веществах
Характеристики
Изготовитель (разработчик!
•) Включая ИК-излучение через оптику' окна.плавления твердого криогенного
” S.S"™*—" закипания жидкого кислорода
вещества после отключения
вакуумного насоса
Рис. 16.12. Конструкция W*^"^"®™ Х?7^ ."исполь^ дом хладагенте, рассчитанного на срок службы зованного на спутнике Nimbus-h LU-
7 пя^сигласп* 5-линия вентиляции / узел непосредственного контакта, 2 л < то«бка из стекловолокна; емкости аммиака. 4 многослойная изоляция 5 трубка из ^ с ме. 6 алюминиевая трубка вакуу^аРметана. 10 линия выпуска
таном; 9 многослойная изоляцияс емкостью для ам-
метана; // охлаждаемый13 емкость для
миака; 12-многослойная изоляция емкости для ам аммиака; 14-опорный фланец.
Т^ниое название „роклалочно. о материала и, сгехловолокна
земного лимба [1]. Система была запушена в нюне 1975 г. на борту спутника Nimbus-F. Эффективность криостата обычно возрастает с увеличением размеров, поскольку возрастает отношение объема к площади поверхности. Таким образом, современная технология позволяет увеличить срок службы криостата до значений, больших одного года, и ограничить его лишь имеющимися массой и объемом. Твердые криогенные вещества могут обеспечить и более продолжительные сроки службы, которые трудно достижимы, с помощью, например, механических холодильных машин. Кроме того, устраняется необходимость в энергопотреблении и отводе излишнего тепла, присущая механическим холодильным машинам, что оправдывает использование крупногабаритной системы с фиксированной массой, работающей на твердом хладагенте.
Специальные конструктивные проблемы. Практическое проектирование криостата с твердым хладагентом связано с необходимостью комплексного решения ряда специальных технических проблем, в том числе сведение к минимуму паразитных теплопритоков в криогенное вещество со стороны охлаждаемого узла (включая трубопровод для выпуска газа и опорные конструкционные элементы), особую технологию заполнения и получения твердого хладагента, а также обеспечение необходимого теплового контакта по мере сублимации криогенного вещества.
Свести к минимуму тешюпритоки можно, развивая технологию, используемую в жидкостных системах на основе многослойного покрытия несущих конструкций из материалов с низкой теплопроводностью и особой техники теплоизоляции. Наиболее предпочтительный способ получения твердого хладагента-использование комплексного контура охлаждения, в котором жидкий хладагент обеспечивает максимальную плотность твердого хладагента. Поддержание хорошего теплового контакта по мере сублимации твердого хладагента достигается с помощью теплообменников из металлопенопласта или проволочной сетки, встроенных в емкость для твердого криогенного вещества и соединенных с приемником соединительными стержнями из твердого материала. Вместе с тем при повышенной нагрузке на приемник теплопроводящие трубки оказываются предпочтительнее.
Необходимая масса криогенного вещества
Уравнение, выведенное в работе [21], определяет необходимую идеальную) массу жидкого или твердого криогенного вещества как функцию его свойств, продолжительности работы и условий окружающей[среды. Ниже перечисляются идеализированные условия.
ферический криостат, площадь поверхности которого прини- рав*п°й к^ ’ а объем пространства для криогенного вещества w /6 (где D диаметр сферы).
Криостат термостатирован с помощью многослойного покрытия характеризующегося эффективным коэффициентом излучения е '
Теплопритоки в криогенное вещество происходят только через многослойную теплоизоляцию.
Энергия, поглощенная криогенным веществом, является произведением теплопритоков и общего прошедшего времени L
При этих условиях необходимая масса криогенного вещества определяется выражением
Wt =Wt =36лГоесГГ(Т4-Т?)/р2 L ис36лГоесГГ(Т4-Т?)/р2 L ис33(16.1)(16.1)
Wt =
Wt =
36лГоесГГ(Т4-Т?)/р2 L ис
36лГоесГГ(Т4-Т?)/р2 L ис
3
3
(16.1)
(16.1)
где И'-необходимая масса криогенного вещества (г); р-плотность криогенного вещества (гем-3); а-постоянная Стефана-Больцмана (Вт см"2 К"4); Ecfr-эффективный коэффициент излучения (безразмерная величина); ^.-абсолютная температура внешней оболочки сосуда (К); Т(-абсолютная температура криогенного вещества и внутренней оболочки многослойного сосуда (К); / -общее прошедшее время в единицах, согласующихся с постоянной Стефана - Больцмана (ч или с); Ас-скрытая теплота криогенного вещества (теплота испарения жидкости или сублимации твердого хладагента, Джт-1). Коэффициент 36л определяется обусловленной сферической формой сосуда и не зависит от используемых единиц измерения. В табл. 16.3 и 16.8, а также на рис. 16.1 и 16.9 приводятся параметры различных криогенных веществ. В табл. 16.5 и 16.6 приводятся величины сухого веса криостатов, предназначенных для криогенных жидкостей. В табл. 16.9 приводятся данные о твердых криогенных веществах и массе криостатов. Информация о теплопередаче и эффективном коэффициенте излучения многослойных термостатированных сосудов приводится в разд. 16.8.2.
МЕХАНИЧЕСКИЕ ХОЛОДИЛЬНЫЕ МАШИНЫ
Идеальный термодинамический цикл
Механическая холодильная машина представляет собой ^ которая поглощает тепло при температуре Т и о;^ высокой температуре Т„ (рис. 16.13, 16.1 Д ^личины работы ^ необходимо выполнение определенной раб _, „ тепловой
(Для холодильной машины с механическим "Рив“д™* " " о е. энергии qh (для холодильной машины с тепловым приводом) опр
Рис. 16.13. Принцип работы криогенной системы с механическим приводом.
.4-источник тепловой нагрузки с температурой Тс; Б- холодильная машина; 8-тсплоприем- ник с температурой Тв.
деляются выражениями су ч' f 1k * • ' f т# •
W.^q.-^. q^q^^T-(16-2), (163)
Входная мощность минимальна, когда все процессы термодинамического цикла обратимы, т. е. S = 0. Хотя обратимые циклы теоретически достижимы и используются в качестве стандарта для сравнения экс-
Рис. 16.14. Принцип работы криогенной системы с приводом от источника тепла. А - источник тепловой нагрузки с температурой Т„; Б-источник тепловой нагрузки с темпе- 8 А®”1"3!6^ Г-холодильная машина; Д - теплоприемник с температурой •• тр ой линией обозначена криогенная система с тепловым приводом.
Рис. 16.15. Обратный цикл Карно.
Линии постоянного давленияЛинии постоянного давленияЭнтропия 8Энтропия 8ХК =ХК =произведенное охлаждениепроизведенное охлаждение(16.4)(16.4)мощность питаниямощность питанияплуатационных характеристик, на практике циклы охлаждения необратимы. Холодильный коэффициент холодильной машины обычно определяется выражением
Линии постоянного давления
Линии постоянного давления
Энтропия 8
Энтропия 8
ХК =
ХК =
произведенное охлаждение
произведенное охлаждение
(16.4)
(16.4)
мощность питания
мощность питания
Этот коэффициент является основой для сравнения холодильных машин с механическим или тепловым приводом, если тепловая энергия подается электронагревателями сопротивления. Однако если холодильная машина с тепловым приводом получает питание от неэлектрического источника, т. е. от химического, радиоизотопного, ящерного и т. д., то величины холодильного коэффициента следует проверять с точки зрения стоимости и доступности источника энергии.
16.5.2, Реальные механические холодильные машины16.5.2, Реальные механические холодильные машиныВ качестве стандарта для сравнения циклов теплового двигателя используется цикл Карно, так как его эффективность максимальна для имеющихся ограничений по температуре. Точно так же обратный цикл Карно используется в качестве стандарта для сравнения характеристик холодильных машин, так как для данного предела температур ХК этого цикла максимален. На рис. 16.15 приведена диаграмма Т-S, иллюстрирующая обратный цикл Карно. Тепло, поглощенное при темпера гуре Тс в процессе 1—2, представлено областью l-2-b-a-1; тепло, отданное при температуре Ти в процессе 3-4, представлено областью З-4-а-Ь-З, а результирующая работа на входе представлена разностью площадей этих двух областей <1-2-3-4-Г).
16.5.2, Реальные механические холодильные машины
16.5.2, Реальные механические холодильные машины
Реайьные механические новных видов: Стирлинга обратного цикла БрайтонаРеайьные механические новных видов: Стирлинга обратного цикла Брайтонахолодильные машины делятся на пять ос- , Вюлемье, Джиффорда-Макмана/Солвея, -Клода и замкнутого цикла Джоуля-Том-
Реайьные механические новных видов: Стирлинга обратного цикла Брайтона
Реайьные механические новных видов: Стирлинга обратного цикла Брайтона
100,с
10 000,0
а ,0^
1,0 ю,о
•^,«1000,0
Удельная мощность, Вт-Вт-1 б
Рис. 16.17. Характеристики криостатов, работающих по циклу Стирлинга (см.
табл. 16.10).
а массовые; б мощностные.
табл- ^ДО. Дополнительная Уим^НЫ Ы0МСра машин по первой колонке = работе [5] „ли воб этих машинах имеется
В П^1СДНе” кол°нке табл. 16 10 ’ Указанн°й фирмой-изготовителем ^лемье представляет собо^цикл Вк>лемье- Термодинамический цикл ^патентованный Рудольфомс тепловым приводом,
ФОМ вюлемье в 1918 г. [62]. Этот цикл
Глава 16
с постоянным объемом действует благодаря использованию вытеснителей и требует минимальной герметизации, поскольку давление во всей системе почти одинаково в любой момент времени (что представляет собой немалое преимущество). Вытеснители просто перемещают газ из одной части системы в другую, не сжимая его замкнутом объеме. Двумя основными ипреимуществами цикла Вюлемье являются отсутствие механического компрессора и возможность непосредственного использования тепловой энергии в качестве основного источника входной мощности. Последнее обеспечивает гибкость применения системы, так как источником тепловой энергии, поступающей непосредственно в головку «горячего» цилиндра, может быть батарея солнечных элементов, ядерный реактор, радиоизотопный элемент, электронагреватель, топливо или иной химический источник энергии. В большинстве холодильных машин Вюлемье используются электронагреватели, встроенные в головку «горячего» цилиндра, а в некоторых системах - радиоизотопные источники тепловой энергии (например, плутоний-238) [25, 30] или нагреватель, работающий на пропане [31].
В идеальной системе привод кривошипного механизма, вынуждающего вытеснители совершать перемещение примерно на 90 вне фазы, не требует какой-либо работы, но на практике для того чтобы преодолеть падение давления и механическое трение, требуется умеренное количество энергии, подаваемое электродвигателем.
В настоящее время разработаны различные холодильные машины, работающие по циклу Вюлемье, для мобильных наземных установок, а также систем воздушного и космического базирования. На рис. 16.18 показана малогабаритная однокаскадиая система.
Рис. 16.18. Однокаскадный криостат Вюлемье 77 MVM-1-B (мощность 1 Вт при температуре 77 К) фирмы Hughes Aircraft Со. [25].
Таблица 16.11. Характеристики некоторых типичных криостатов, работающих по циклу Вюлемье
к О
и о
Глава 16
327
В табл. 16.11 приводятся характеристики холодильных машин Вюлемье, созданных после 1965 г. На рис. 16.19 изображены мощностные и массовые характеристики.
Системы, работающие ио циклу Джиффорда Макмана Солвея, В системе данного типа используется цикл охлаждения, разработанный Эрнестом Солвеем в 1886 г. как развитие цикла Стирлинга. К Такоиис,
Рис. 16.19. Характеристики криостатов, работающих по циклу Вюлемье (см. табл. 16.11).
а мощностные; б- массовые.
У Джиффорд [63] и Г. Макман усовершенствовали разработку. Наименования промышленно произведенных систем данного типа могут включать определение «модифицированный». При этом речь идет об одном и том же цикле, но с различными модификациями расширителя.
Благодаря разъединению расширителя и компрессора получается система с простым, легким и компактным криостатом, который легко сочетается с нагрузкой, а также с компрессором, который можно расположить отдельно. Компрессор соединяется с расширителем посредством длинных гибких трубопроводов, по которым перемещается рабочее тело, находящееся под высоким или низким давлением.
На рынок предлагается много разновидностей подобных систем, причем во всех применяются герметически уплотненные компрессоры. Видоизменения системы связаны главным образом с режимом работы расширителя и различными конструкторскими, материаловедческими и технологическими особенностями, имеющими целью создание недорогой и надежной системы с долгим сроком службы. В табл. 16.12 дается перечень имеющихся холодильных машин Джиффорда-Макмана. На рис. 16.20 изображены мощностные и массовые характеристики.
Системы, работающие по циклу Брайтона. Понятие «цикл Брайтона» используется здесь для обозначения класса термодинамических циклов, являющихся вариантами обратного цикла Брайтона, включая цикл Клода. Холодильная машина, работающая по обратному циклу Брайтона. состоит из компрессора, вторичного криостата, теплообменника и расширительной турбины (рис. 16.21). Совершающий цикл газ сжимается в компрессоре, работающем при температуре окружающей среды, а тепло выпускается в окружающее пространство. Газ высокого давления проходит через регенеративный теплообменник и расширяется в детандере, где происходит отвод энергии в адиабатическом процессе с понижением температуры. Затем газ направляется через охлаждаемую нагрузку. Цикл Клода аналогичен вышеописанному с тем лишь исключением, что на холодной стороне добавлены дополнительный теплообменник и дроссель Джоуля-Томсона, способствующие еще большему понижению температуры.
По мере снижения рабочей температуры холодильной машины Брайтона точка 5 (рис. 16.21) входит в двухфазную область потока рабочего вещества, которое уходит из детандера в виде двухфазной смеси. Для охлаждения до температур, соответствующих двухфазной области рабочего вещества, процесс расширения осуществляется с помощью дросселя (как в цикле Джоуля-Томсона), а не в детандере. Цикл Клода (рис. 16.22) практически представляет собой такой цикл Джоуля-Томсона, в котором эффективное падение температуры уменьшено благодаря использованию охладителя Брайтона.
Холодильные машины, работающие по обратному циклу Брайтона, в течение ряда лет используются в больших наземных установках, о последние годы усилия разработчиков направлены на создание тур-
и
s
2
О)
40 сч
о
сч
*4 ОО
П CI
МММ
о
о
X
5$
Л
5
и
2 X a
С
t-
Е5 I
о
U
и
я
S
§
и
8.
2X
я
2
Н с( я
Зоя
E-es a
X * ;3 д ;
А А
ОО ОО Tt О'
-Ф1ПП
х
=t
8.
в
ок
«К
в
о
2X
2 о
о и
2Q
о
я У а о -е- ■э х X Е(
я у я
5
к
о
к
X
о О
ж
3 Ю и.
о х
СК
В.5
СЧ ОО
сч ОО
сч
ОО
о
о
о СЧ
00 со
о
о
оо о" оо
о
о
с
о
40
а
' >00 00 сч
00
00 гч
О С-1
§ in
о
чО
сч
00 00
чО чО П
о О о сч m оо о О О О t~- 40
о о оо
о о in
2 я ь о ю
я a
о
S
и
о
tn
О
« ь о о X a х
и
о а ч
о _ х «се.
о о
о о о
о
чо
о о
сч
о
40
о
О *п
о о о о
О
о о о о
о о 00
о
о
X 3 X
i
о
X
X с
и
X 3 а о
X о 8 с S'
Ct
о X и
и X т
X х X
X а о ь X X Си
X
св о
у 2 х л I
о А
8
О
о В
Я я
чс
со
с
У
а
О'
о
о
57*
зо —-
о
5
сч О
5 а
О'
о
о
S
с
о
V
о ю
X л
я о
3- ю
X
S3 U
о я к и
а
о о
S3
СЧ СП
я .
5 сч Й 3 CL о
X о а
Е
ИЗ
О
ч о
2
2 2 л a и.
О
с
о Ц О я
О
S
о с
°, 1П 4-^ ri — —
О
О 40
о о о о
ООсч
оо сч
о о
3 S3 и
о
S
о
2
о о
2
йо
осч О V
у у ■ОО о о SS
Зо<=> сл
COUD
сч сч g 2^-7 сЛ
о
ш
Q
£
о ь о
о ю
И
я си
й
X
1
a
43
У
2
S
40
X
-Я у
Е о
о
и з
=4
о я
и с
1 о г? и
сч
ОС у
ос о
е
ч
о
ОД с О-С ^8
о ■ о
ОС С ОЯ
40
^.3
о с VI
, о
о
О - ьо С
О Д2
у = Е оо
Шд£ 3
О—'
о
ои.Р-
«1
U V, 3 3
•о 'О £ 8 Р-" у
и и о 3 33 •о ■0’0 ООО
и с
ос о
о
V)
UhUh
ОО
О' о оо —
00 с
оя
г?8
сч
in
а — —
Ш ЧП чО
чО
■о о
сч
ОО
которые могли быХ^еХХ" КваМИ С8] “ п°Ршневых Установок [9]. /™льных машинах. Потенциальнь,(.МаЛ°ГабарИТНЫХ криогенных хо- теуВЫХ П0ДШипниках-высокая ХарактеРис™и турбокриостатов
^технического обелуживХИ Л0ЛГИЙ СР°* слУжбы
исключает загрязнения от eJ- К3 Подшипников рабочим ве- азочных веществ и неправильное
331331Глава 16Глава 16Тепловая нагрузка аТепловая нагрузка аРис. 16.21. Обратный цикл Брайтона [5].я-схема системы; б-диаграмма температура-энтропия.Рис. 16.21. Обратный цикл Брайтона [5].я-схема системы; б-диаграмма температура-энтропия.
331
331
Глава 16
Глава 16
Тепловая нагрузка а
Тепловая нагрузка а
Рис. 16.21. Обратный цикл Брайтона [5].
я-схема системы; б-диаграмма температура-энтропия.
Рис. 16.21. Обратный цикл Брайтона [5].
я-схема системы; б-диаграмма температура-энтропия.
срабатывание в низкотемпературной области цикла. Отсутствие постоянно трущихся частей исключает отказ из-за износа, столь типичный для несмазываемых машин или машин с сухой смазкой. Появление турбоустановок с газовыми подшипниками позволяет надеяться на долгий срок службы холодильной машины, ограничиваемый, вероятно.
нагрузканагрузкаРис. 16.22. Цикл Клода [5].о-схема системы; 6-диаграмма температура-энтропия.Рис. 16.22. Цикл Клода [5].о-схема системы; 6-диаграмма температура-энтропия.
нагрузка
нагрузка
Рис. 16.22. Цикл Клода [5].
о-схема системы; 6-диаграмма температура-энтропия.
Рис. 16.22. Цикл Клода [5].
о-схема системы; 6-диаграмма температура-энтропия.
количеством циклов пуск-остановка, а не наработкой.
Эксплуатационные характеристики миниатюризированных турбоус- тановок напрямую зависят от их емкости в связи с тем, что расход рабочего вещества в малых, криостатах значительно меньше обычной для турбомашин величины. По мерс возрастания емкости и расхода требования к конструкции турбомашин становятся менее жесткими, а относительные характеристики габаритов, массы и производительности криостатов существенно улучшаются. На рис. 16.23 представлены данные оценки связи мощности и массы криостатов с турбодетандсрами с их производительностью.
Недавно были разработаны миниатюризированные поршневые системы. работающие по циклу Брайтона и предназначенные для космических применений [9]. Поршни в этих машинах совершают как возвратно-поступательное, так и вращательное движение. Это дает возможность использовать отверстия для управления потоком газа и газонепроницаемое уплотнение для устранения теплопритоков. Поршни приводятся в действие электромагнитными исполнительными механизмами. Немногочисленные движущиеся части полностью опираются на газовые подшипники. В отличие от обычных поршневых механизмов здесь отсутствуют трение и скольжение. Технические средства криоста- тирования, необходимые для осуществления этого цикла, представляют собой два отдельных узла: компрессор и детандер. Для преобразования напряжения питания в рабочее напряжение с соответствующими частотой, амплитудой и фазой необходима аппаратура нормализации питания.
100
II5050§5§5гогоюю-^гооо- г о 1000 --^гооо- г о 1000 -551515500500I5I5гг11100 V1100 V1МКМК200 V200 V—Мощность Масса—Мощность Масса“прои^^^ в^ ^“прои^^^ в^ ^гокгокс "X производительн0^™ адГтемп^^^МаШИНс "X производительн0^™ адГтемп^^^МаШИН
I
I
50
50
§
5
§
5
го
го
ю
ю
-^гооо- г о 1000 -
-^гооо- г о 1000 -
5
5
15
15
500
500
I
5
I
5
г
г
1
1
100 V
1
100 V
1
МК
МК
200 V
200 V
—Мощность Масса
—Мощность Масса
“прои^^^ в^ ^
“прои^^^ в^ ^
гок
гок
с "X производительн0^™ адГтемп^^^МаШИН
с "X производительн0^™ адГтемп^^^МаШИН
«II«IIЭнтропия 5 аЭнтропия 5 а11КомпрессорКомпрессорг: Выделение■.тепла QRг: Выделение■.тепла QRРасширительный клапан Джоуля-ТомсонаРасширительный клапан Джоуля-ТомсонаРегенеративное охлаждениеРегенеративное охлаждение66Тепловая нагрузка QLТепловая нагрузка QL
«
I
I
«
I
I
Энтропия 5 а
Энтропия 5 а
1
1
Компрессор
Компрессор
г
: Выделение
■.тепла QR
г
: Выделение
■.тепла QR
Расширительный клапан Джоуля-Томсона
Расширительный клапан Джоуля-Томсона
Регенеративное охлаждение
Регенеративное охлаждение
6
6
Тепловая нагрузка QL
Тепловая нагрузка QL
Рис. 16.24. Криогенная система, работающая по замкнутому циклу Джоуля - Томсона.
а-диаграмма темпера гура энтропия: б-схема системы.
Научно-исследовательская программа ADL продемонстрировала приемлемость этой концепции на примере опытного образца криостата, создававшего мощность 2 Вт при температуре 77 К; однако накопленного в ходе испытаний опыта недостаточно для уверенности в надежности работы системы.
Системы замкнутого цикла Джоуля-Томсона. На рис. 16.24 показан практический цикл охлаждения Джоуля-Томсона. Он почти идентичен обратному циклу Брайтона с одним существенным отличием: процесс расширения 4-5 осуществляется через дроссель, а не через турбину. В системе Джоуля-Томсона точка 5 находится в двухфазной области и теплота парообразования используется для поглощения тепловой нагрузки в процессе 5-6. В типичных криостатах рабочее вещество (газообразный азот) сжимается до L8'106 Па в многокаскадном поршневом компрессоре с масляной смазкой. Теплота сжатия удаляется набегающим воздухом или вентилятором, смонтированным на компрессоре. После сжатия газообразный азот проходит через абсорбирующий фильтр, удаляющий пары масла и прочие загрязняющие вещества, которые могут затвердеть при криогенной температуре. Очищенный азот высокого давления поступает затем в миниатюризированный регенеративный теплообменник или криостат, где он охлаждается рециркулирующим газообразным азотом низкого давления. На выходе теплообменника азот высокого давления расширяется, создавая падение температуры, достаточное для перехода части азота в жидкое состояние. Скрытая теплота парообразования используется для охлаждения, аз низкого давления, использованный для предварительного охлаждения поступающего газа, возвращается в первый каскад компрессора, е-
Таблица 16.13. Характеристики некоторых криостатов замкнутого цикла.
работающих на основе
Но- Изготовитель мер разработчик изде-
или Наименова- Рабочая Холодопроиззо- ние модели темпе- дительность (Вт) или програм- ратура, при температуре мык(К)
Состояние
Мощность
Масса
Примечания
1сона
Ис-
ЛИЯ
входная, удельная,
ВтВт Вт"'
обща? КГ
t, удельная, кг- Вт 1
точ- ник ии- фор- ма-
15
16
17
18
19
20
55
56
Garrett Airesearch
Garrett Airesearch
Garrett Airesearch Garrett Airesearch
Garrett Airesearch
Garrett Airesearch Air Products Air Products
133386
133488
144406
80034
800398
800656
J-80-1000
J-3O-35OO
77
77
77
77
77
77
77
23
и 77
Три охлаждающих узла 0,75 Вт (77 К) 5,0 (77)
3,0 (77)
Два охлаждающих узла 1,0 (77)
Два охлаждающих узла 1,0 (77) 2,5 (77)
2,0 (77) 2,0 (77) 0,35 (23)
Производство
»
»
»
»
»
»
»
450
650
450
460
650
530
600
1050
200,0
130,0
150,0
230,0
325,0
211,0
300,0
300,0 1350,0
10,25
9,22
8,8
9,22
9,43
8,2
7,38
4.55
1,84
2,9
2,66
4,71
3,38
3,69
С Воздушным охлаждением Включает вентиляторный привод С воздушным охлаждением Включает вентиляторный привод »
»
Двухкаскадное устройство
:ЦИИ
24
24
24
24
24
24
21
21
X
У
^5
го У
X
о X я У
I X X за
Я го
94 О
to у
У X 2 о у У
-о 2 X
3
м
у я
о X X X
со X 2
Е со го ч to
я ГВ я
го
О О ч о ч У
X
X У я св * X о о ч У
У Я У 3 Ё X i О у
x
2
го я
У ГВ
to
го х<
о х
У to X о X
о ч
я У о
x
о X
2 со X За со 2
Е
X у 2 л> X со X
2
Я о ё -о
о ч 2 ГВ ч X ч У
я я ^
3 Е
X а
X
W
X X
о о о СИ го
Е о г, ч * 2 X
оо
X
о to о Хс О ч to
2
X У я "О
У ш я
X X X
У я 15
У я
X
ГВ ю У ГВ
о
о ч to ■< 3
св 15 2 о
я го X
5
X
о го
Т^-О X
о X
У
за
X с 2
я го х
Д 15 X
Я О Г) Я го Я О to
fa
Ох
Ох
2 СО я -^ гв
Я аз g •< Е х со а за
X X
X
ж •о
X о 9 У ч о в
X
CD
U ч о
за to Я св X X го
я
Ох Я 3
я о го у
со
ш
Е го
X О 15 О 9
X ГО о ГВ
S
го я я У
ГВ X го 15
X 15 о to У X X ГВ
X я X
я о
о я со X
Е со х< о X я
и
№ X S ас
я
■у
О
о я
о Е X о
Е
ГВ
у ГВ
Е
СП
O'
X
я У
X to
3
X
о Е со х 5
Я Я я о ч
У
у о to с.
•О х X о
У
ж о
п> Я у X о 2
о О св Я X X го X
X
я to *<
X
я
ъ
S
я
я S я
S
х
о X я У X
У Я X J X
X
2
я я о to
2
2 у
о о to
го X
х ч го 15 X у
83
* В X о го
X ч о 15 X
X X X
я 15 ГО Я
У CD я го
X
о 30
X Я X
X
ГВ
X 15
X о
У н у
о о о ч о X X 5
о
X о 5
X о я 2
fa * о v: я X
Ох
о
2
о
X
X 15
О to У ч У
я о to У
Е го X X ^ 3
я я о ч X о
9 У
ст X о х<
СП о ч Е
о ч У
о ■в X X
о
п ч X
за Я X X
X
у X о
о я У to Я со X
S х
У ах о
о
о
в го Е
ГВ
to У
х о
-1 о
X
ГВ
я X
ГВ
<51
я У
Е У 30
<0 2
х о о ч У
я я за
о ел
У го
2
X У
У
ГВ
2
о о
9
5
Я у Z В £ 2
У У
X
X о я X ч
я
о о ГВ я
X <0 X У
I
ё
о СП
X О 2 я го X
X
5
ГВ
го я X о ж
•8
5 о
X в
7? 2
§ 5 X
336 постоянного тока; 2) при работе криостата отсутствует шум; 3) работа криостата не зависит от ориентации или силы тяжести; 4) масса и объем криостата малы.
Основное ограничение термоэлектрических криогенных систем заключается в максимальном достижимом на практике перепаде темпе- ратур: примерно 150сС в зависимости от применяемых материалов, что приводит к минимальной достижимой температуре 150.. .170 К. Основной недостаток этих устройств заключается в относительно малом К.П.Д., особенно в тех случаях, когда требуется большая разность температур.
Описание и конструктивные характеристики
Типичная однокаскадная термоэлектрическая криосистема состоит из полупроводников л- и p-типа, соединенных металлическим проводником (рис. 16.26). При подаче напряжения (обычно 0,1...5,0 В для типичных ИК-криостатов) прохождение тока в указанном направлении создает разность температур между двумя поверхностями, так что тепло в одном конце поглощается, а в другом-высвобождается. Тепло, уводимое с холодной поверхности, соответствует разности между охлаждающим эффектом Пельтье и суммой тепла Джоуля, созданного током, и тепла, переходящего с горячей поверхности на холодную. Результатом является холодопроизводительность термопары.
Термоэлектрические пары аналогичной конструкции могут быть соединены параллельно, с тем чтобы повысить теплопередачу. Если идентичные пары соединены параллельно и к ним подаются одинаковые токи, они передают во столько раз больше тепла при одной и той же разности температур и том же самом холодильном коэффициенте, сколько соединено отдельных пар. Термоэлектрические пары можно соединить и последовательно, с тем чтобы обеспечить большую разность температур, чем достижимая при одной паре, или больший ХК для данной скорости перехода теплоты и общей разности температур.
Имеются серийные изделия с числом™
достигается разность 80. ..120 С между темпетт Ч5гырех’ в к°торых ки и температурой имеющегося теплоприемника B^en™'4080” нагруз" приводятся теоретические и реальные эксплуатации Л ДуК)ЩНА Руслах для различных условий работы^^^^^
Теоретические эксплуатационные характеристики
Краткий обзор теоретических эксплуатационных характеристик приводится ниже лишь в той степени, какая позволяет оценить возможности термоэлектрических криосистем. Более тщательное описание эксплуатационных характеристик и вывода основных уравнений имеется в литературе к данной главе.
Когда на холодной поверхности пары устанавливается стационарное состояние, теплота, поглощенная на ней, оказывается меньше теплоты Джоуля, а теплота, передаваемая с горячей поверхности на холодную, определяется уравнением
Q, = ^TCZ = (1/2)Z2/? — ^(Th- Тс), (16.5)
где 2,-теплота, поглощенная на холодной поверхности в результате эффекта Пельтье (Вт); ST -коэффициент Зеебека для пары (В К -*); I - ток (A); R- электрическое сопротивление (Ом); Jf-теплопроводность (Вт-К-1); Тс-температура холодной поверхности (К); Th-температура горячен поверхности (К). Соотношение Qi = £РТС1 в (16.5) определяется тем обстоятельством, что холодопроизводительность в результате
(16.6)(16.7)(16.6)(16.7)эффекта Пельтье равна ^=PabL
(16.6)
(16.7)
(16.6)
(16.7)
и РаЪ = УТс.
Здесь PQb - коэффициент Пельтье между материалами а и b (Вт-А ), Тс-температура холодного перехода (К). Таким образом,
<& = УТС1.(,6-8)
Наиболее значимыми эксплуатационными характеристиками термоэлектрической криосистемы, более всего пригодными для оценки, являются добротность Z, определяемая свойствами материалов, разность температур ДТ, т. е. повышение температуры на однокаскаднои паре, и ХК-
Добротность характеризует материал по его холодильному потенциалу и для одного материала определяется выражением
Z = ^2/p/c,(16.9)
где У- коэффициент Зеебека для одного материала (В • К" *); р-электрическое удельное сопротивление (Ом • см); к - коэффициент теплопровод ности (Вт-см”1 К"1); Z-добротность (К-1).
Рис. 16.27. Зависимость добротности Z от температуры для материалов р- и п-типа [Ю].
Роль материала
Добротность Z зависит от коэффициента теплопроводности, электрического удельного сопротивления и коэффициента Зеебека и является основным фактором оценки материала для термоэлектрической криосистемы. Свойства, определяющие величину Z, взаимосвязаны и в общем зависят от концентрации электронов и относительной разности э.д.с. между двумя материалами. Величина Z обычно возрастает с увеличением концентрации электронов, свойственной полупроводниковым материалам. Такие материалы проявляют большой коэффициент Зеебека и высокое электрическое удельное сопротивление.
Тс, КТс, КРис. 16.28. Зависимость ХКноет» Z № ^^^^^^^^Т- " ^Р0"Рис. 16.28. Зависимость ХКноет» Z № ^^^^^^^^Т- " ^Р0"Средняя величина Z для имеющихся на рынке полупроводниковых материалов р- и л-типа при комнатной температуре составляет
Тс, К
Тс, К
Рис. 16.28. Зависимость ХК
ноет» Z № ^^^^^^^^Т- " ^Р0"
Рис. 16.28. Зависимость ХК
ноет» Z № ^^^^^^^^Т- " ^Р0"
2,5...3,0-10 3 К-1. Однако эта величина резко
температуры, сильно снижая ХК многокаск-.п.,^, °Т С Уменьшснием димого для получения низкой темпер”“^
зависимости от температуры типичныхЬ-2/ показаны
имеющихся в продаже материалов Трис 16 ^°В ВМИ,и,НЫ 2 с,мости ХКМ,.С от Z и температурнойWBK-
однокаскадной криосистемы." Д 0И повеРхности для
Для точного расчета ХК многокас™
использование цифровых ЭВМ. На рис. 16.29 предстал™ хкбХ°ДИМ° гокаскадных криостатов для температур 170 и 193 к Т ХК”“С М*'°" теплоприемника 300 К) с использовавзначений zTp™^
Возможности имеющихся криостатов
В табл. 16.14 представлены характеристики типичных промышленных криостатов, разработанных для охлаждения ИК-приемников и других электронных устройств. В настоящее время целый ряд низкотемпературных многокаскадных криостатов разрабатывает фирма Borg-Warner Thermoelectrics. На рис. 16.30 приведены характеристики четырехкаскадного криостата, рассчитанного на температуру 193 К. На рис. 16.31 показан шестикаскадный криостат для температуры 170 К. Габариты криостата: 10,16 х 17,02 мм (основание) и 19,05 мм (высота). С помощью восьмикаскадного криостата пластина размером 5,08 х 1,01 мм охлаждается до 145 К при температуре окружающей
рис. 16.29. Расчетный ХКм1ХС криостатов.
Данные оптимального ПР06*™13^^?#} К™с теплоприемника при температуре использованием характеристик маг Р представленных на рис. 16.27 LluJ-
5С
I
I
150 Г
160
ПО
180
190
Входная мощность для шестикаскадного криостата 9,3 Вт
гоо
210
Входная мощность для четырвхкаскадного криостата 1,7 Вт
,1 —1।J
го JO 40 50 60
Нагрузка, мВт
220 \-
10
Рис. 16.30. Характеристики маломощных низкотемпературных криостатов [Ю].
‘[^01 16.14. Харам ерист
) I погони гель или разработчик, номер модели
1ИКИ некоюрых типичных
Конструк гивные
граничения системы*'
^‘^.^'P^'wi* криостатов
47 ори нулевой нагрузке, К
ход одною перехода при АТ . к
Максимальная нагрузка охлаждения О при Д7 = 0
Эксплуатационные хдрактсоие™*-
-чыюерисгики системы•'
Borg-Warner [41]
920
950
970
447
638
623
Номинальная холо- Дипрои з водит ел ь- иосы. (Bi или мВт) при определенной темпера iype (К)
Входная Ду к
МОЛ (ПОСТ ь Вт
Холодильный коэф- фициеиг
Количество каскадов
70
70
66
70
90
90
U7
230 230 234 230 2)0 210
183
493
100
200
670
95
205
605
119
181
Cambridge Thermionic
126
174
Corporation [421
800 3955J
800-3956
77
223
800 1004
84
216
800 1005
90
210
800 1006
85
215
Marlow Industries Inc. [431
105
195
L2 Вт
19.0 Вт
30,0 Вт
130,0 Вт-200,0 мВт800,0 мВт140.0 мВт900.0 мВт
90,0 МВт200,0 мВт
4,3 Вт
5,7 Вт
1,6 Вт
МП020 M12060 M13026
67
97
233
203
1,0 Вт
1,1 Вт
0,7 Вт
116,0 мВт 70,0 мВт
MI4012
MI6020 SBRC [15] TEI00-1
111 115 127
189
185
173
ТЕ 100-2
—
TE100-3
—
ТЕ 100-4
—
—
11 При температуре горячего эксплуатационные характеристики
перехода
X о
о
•о
я
S
я
S
о ч ■О to fa а К я
О to со
х
X о
Я я л
О о о ч № ГО 3 to
5 Е s X
2 <и 73 С
И
CD
о
СВ
о
CD
О
со
to
ю
о
X
с
о
о
S
X
сь
о
о
to
to
о
to
о
о
я X ч X
*
5
Е < 3
X CD
2 и CD
X
2
2 X
fa to X X < Е х
я CD 2
ст ч сь
3 Е сь Хс
X о
О
О)
2
CD □
о
2 о
я
X о
X ч и
о о
X о ч CD X
2
о о
о ст 2 о
faо
3 Е
2 с X X с
» о о
X о
X о 2
о to
о с о
о 2 с
Е
150 мВ г (240 К)
5.5 Вт (250)
Ю Вт (255)
30 Вт (252)
15 мВт (215)
200 mBi (220)
20 мВт (200)
10 мВт (230)
10 мВт (185)
W мВт (178)
1 Вт (240) 300 мВт (220) 10 Вт (236)" 1,0 Вт (228) 100 мВт (200)
0,2 Вт (253) 0.2 Вт (223) 0,15 Вт (203) 20, мВт (186) 20 мВт (180)
50 мВт (250) 50 мВт (220) 50 мВт (196) 80 мВт (196)
1.75 27,20 50,0 175.0
3,8 6,0
7.5
и
5.4 6,0
60 50
45
48
85
100
70
115
122
0.085 0.202 0,200 0,172 0,004 0,033 0.0027
0.009 0.0019 0.0016
1
1 1
2 2
3
3
3
4
4
29,4 28,0 29,6 24,5 13,5
60
80
70
72
100
0,034 0.0036 0.034
0.041
0.0074
2
3
2
2
3
1.6
4,4
3,5
6,6
10,2
47
87 107 105
0.15 0.05 0,043 0,014 0.0019
1
2
3
4
6
1,0
5,0
16,0
7,0
50
80
104
104
0,050 0,010 0,003 0,011
1
2
3
4
300 К (27 С) и давлении 10 4... 10 6 мм рт ст., за исключением пяти которых определяются для неподвижного воздуха при атмосферном давлении
изделий фирмы Cambridge,
2
в
о о
3
Охлаждаемая площадка (мост)Охлаждаемая площадка (мост)ГлубокийГлубокийГ Охлаждаемая । площадкаГ Охлаждаемая । площадка(мост)(мост)
Охлаждаемая площадка (мост)
Охлаждаемая площадка (мост)
Глубокий
Глубокий
Г Охлаждаемая । площадка
Г Охлаждаемая । площадка
(мост)
(мост)
Рис. 16.32. Отражение солнечного излучения коническим экраном криостата [4].
вакуум орбитальных высот сводит к минимуму влияние конвективного нагрева. Холодная пластина должна быть защищена (например, коническим экраном) от нагрева прямым солнечным излучением и, если речь идет об околоземных орбитах, от теплопритоков, вызываемых тепловым излучением Земли, а также от отраженного Землей и атмосферой солнечного излучения (рис. 16.32 и 16.33). Холодная пластина должна быть также теплоизолирована от носителя КК. При соблюдении этих условий можно разработать пассивный криостат, который приспособлен к определенной системе КК.
Тип и высота орбиты (например, полярная, экваториальная), ориентация КК по отношению к Солнцу или Земле, расположение излучателя-все это оказывает существенное влияние на конструкцию излучателя. В идеальном случае, мост (участок поверхности, на которой монтируется приемник) достаточно велик, чтобы теплопритоки (джоулево тепло; тепло, поступающее через соединительные провода; излучение, проходящее через оптические элементы), создаваемые элементами приемников и другими составляющими системы, были пренебрежимо
Ограничиваемое экраном излучение К К
Коническийэкран
Ограничиваемое экранам излучение Л
Земли„————.
Земля
Рис. 16.33. Отражение излучения от Земчи и ™
- и и КК коническим экраном криостата
малы по сравнению с общей мощностью
ходяшимся в равновесном состоянии. Это' обст^льствоТбТ "a" размещение оптической и электронной аппаратуры. облегчает
Уравнение тепловою баланса
Для предварительного определения габаритов излучателя необходимо с помощью теплового баланса моста и конического экрана определить равновесную (установившуюся) температуру моста. Сложив тепловые потоки, поступающие к приемнику посредство.м теплопроводности и излучения, получаем уравнение теплового баланса для черного (т. е. при е = 1,0) изотермического моста идеального криостата, смонтированного на КК (рис. 16.33):
ОАрТ4р = сА.Е^Т* + Хйр кТс - Тр) + Qd. (16.10)
Здесь Ар-внешняя площадь моста (см2); Тр-абсолютная температура моста (К); Тс-абсолютная температура экрана (К); Fa- геометрический коэффициент системы экран-мост (разд. 16.8.2, табл. 16.18); еср-эф- фективный коэффициент излучения системы экран-мост; ^р-теплопроводность системы экран-мост (ВтК-1); Q^-теплоприток от приемника (Вт); о-постоянная Стефана-Больцмана (Вт см~2-К-4). В уравнении (16.10) учитываются непосредственные теплопритоки из окружающей среды лишь к экрану и его опорной конструкции, а к мосту-нет. Уравнение теплового баланса для экрана можно получить, приравняв теплоотдачу экрана к теплопритокам посредством теплопроводности и излучения. Как правило, теплота, переносимая с экрана на мост мала по сравнению с теплотой, излучаемой и поглощаемой экраном, и ею можно пренебречь в предварительном расчете. Результирующее уравнение имеет вид
°М. т.4 = /!..=,(£, + £,) +Л 5МЕ« + е«- U611)
Здесь ес-коэффициент излучения экрана; Ае- эффективная площадь поверхности экрана (см2); Е$, Еа, ££Я-облученности, создаваемые соответственно прямым солнечным светом, отраженным от Земли солнечным светом (характеризуемым альбедо) и ИК-излучением Земли (Втсм~2); as — способность экрана поглощать солнечное излучение, Qac~теплопритоки от КК на экран, обычно включающие излучательную и проводящую составляющие теплопередачи (Вт). В разд. 16.8 приводятся уравнения и данные для расчета излучения, падающего на экран (т.е. Еу £e, Eer\ и соответствующие геометрические коэффициенты. в Разд. 16.8.4 описываются оптические характеристики (например, а, и ес), необходимые для расчета поглощенной и излученной энергии. в Разд. 16.8.2 дана информация, полезная при определении передачи тепла путем теплопроводности и величины Jfep, используемой в
Уравнении (16.10).
Программы создания и характеристики космических радиационных систем охлаждения
Уже с 1965 г. радиационные системы охлаждения разрабатывались для криостатирования ИК-аппаратуры на борту КК при температуре 80...200 К. В табл. 16.15 приводится перечень программ, орбит, систем охлаждения и их характеристик.
Типичные низкотемпературные криостаты на второй ступени охлаждения содержат высокоотражающий экран прямоугольной или конической формы. Этот экран защищает холодный мост от излучения КК и Земли и отражает солнечное излучение, падающее под малыми углами иа криостат, закрывая от него мост (рис. 16.32, 16.33). На рис. 16.34
Рис. 16.34. с.хема радиационного криостата (SBRC) для радиометра кругового сканирования, работающего в видимой и ИК областях спектра [44].Рис. 16.34. с.хема радиационного криостата (SBRC) для радиометра кругового сканирования, работающего в видимой и ИК областях спектра [44].Размеры в мм./-радиатор промежуточного каскада; 2-опорные конструкции промежуточного каскада; экран промежуточного каскада; 4-нагреватель холодного каскада; 5-опорные конструкции холодного каскада; 6-узел приемиик/криостат; 7-узел холодного каскада: демпфер холодного каскада; 9-радиатор холодного каскада; 10- нагреватель промежуточного каскада; II узел промежуточного каскада; 12- корпус, работающий при температу- 13 сУперизоляция; /4-демпфер экрана; 15 солнечный экран; рячми и холодный фильтры; 17 -поле зрения приемника; /8-узел кабеля питания.Размеры в мм./-радиатор промежуточного каскада; 2-опорные конструкции промежуточного каскада; экран промежуточного каскада; 4-нагреватель холодного каскада; 5-опорные конструкции холодного каскада; 6-узел приемиик/криостат; 7-узел холодного каскада: демпфер холодного каскада; 9-радиатор холодного каскада; 10- нагреватель промежуточного каскада; II узел промежуточного каскада; 12- корпус, работающий при температу- 13 сУперизоляция; /4-демпфер экрана; 15 солнечный экран; рячми и холодный фильтры; 17 -поле зрения приемника; /8-узел кабеля питания.
Рис. 16.34. с.хема радиационного криостата (SBRC) для радиометра кругового сканирования, работающего в видимой и ИК областях спектра [44].
Рис. 16.34. с.хема радиационного криостата (SBRC) для радиометра кругового сканирования, работающего в видимой и ИК областях спектра [44].
Размеры в мм./-радиатор промежуточного каскада; 2-опорные конструкции промежуточного каскада; экран промежуточного каскада; 4-нагреватель холодного каскада; 5-опорные конструкции холодного каскада; 6-узел приемиик/криостат; 7-узел холодного каскада: демпфер холодного каскада; 9-радиатор холодного каскада; 10- нагреватель промежуточного каскада; II узел промежуточного каскада; 12- корпус, работающий при температу- 13 сУперизоляция; /4-демпфер экрана; 15 солнечный экран; рячми и холодный фильтры; 17 -поле зрения приемника; /8-узел кабеля питания.
Размеры в мм./-радиатор промежуточного каскада; 2-опорные конструкции промежуточного каскада; экран промежуточного каскада; 4-нагреватель холодного каскада; 5-опорные конструкции холодного каскада; 6-узел приемиик/криостат; 7-узел холодного каскада: демпфер холодного каскада; 9-радиатор холодного каскада; 10- нагреватель промежуточного каскада; II узел промежуточного каскада; 12- корпус, работающий при температу- 13 сУперизоляция; /4-демпфер экрана; 15 солнечный экран; рячми и холодный фильтры; 17 -поле зрения приемника; /8-узел кабеля питания.
Рис. 16.35. Принципиальная схема двухкаскадного криостата с экраном прямоугольной формы (рабочая температура 77 К), предназначенного для применения на низких околоземных орбитах [45].
Размеры в мм. /-многослойная изоляция: 2-внешняя поверхность; 3-солнечный экран; 4- прямой солнечный свет: 5- ИК-излучение Земли; б-экран от излучения Земли; 7 охлаждаемая площадка второго каскада; S-охлаждаемая площадка первою каскада; 9-экран
второго каскада; 10-экран первого каскада.
^RM^OB ^люстрация принципа действия радиационных криостатов RM 20А = 5RR 20А А 58 U м2- Т= 1,0 К. Q = 1 Вт; 2-RM 208: Л = 1,3 м2, Т= 135 К. 0^ = От* -^-солнечный экран; 4-экран, “закрывающий излучение Земли и альбедо.
Таблица 16.15. Характеристики некоторых радиационных криостатов
ОхлаждаемаяЗаказчик /Экспери-
приемнаяизготови-мент или
системательпрограм
ма
ДатаХарактеристикаВысота Темпе- Нетто- Пло- Коли-Поле зре-Общие габа-Мас-Удель-
прове-орбитыорби- рату- холо- щадь чест-пня, 1радритм, смса,ная холенияты, км ра, К допро- охлаж-вокглодо-
экспс‘изво- дас-кас-произ-
римен-дитель- мойкадовводи-
та (за-ность зонытечь-
пУскамВт Л. см2ность
XTмВт
X см 2
ИК-радиометр NASA/ NIMBUS высокого раз- ITTI, II, III
решения (HRIR)
Спектрометр NASA/ NIMBUS с фильтрую- ITTIV
щнми клиньями (FWS)
РадиометрNASA/ ITOS
очень высоко- RCA го разрешения (VHRR)
Радиометр вы- USAF/ DMSP сокого разре- SAMSO/ шения (WHR) ADL
Радиометр для NASA/ NIMBUS картографиро- ITTV
вания структур поверхности (SCMR)
1964- Околополяр- 1190 1951,79,81±308 x 6 x100 41 017
1969 иая гелиоцен
трическая
1970»Н90 1755,88,91±4821 х 12 х 13 0,82 0,65
(по горизонтали)
1972Круговая-971,485,03-20 х 18 х 151,35 0,01
полярная
1972-Околополяр-83010010,095,0210130 x16 x12143 0 10
1974 ная гелиоцен
трическая
1972 Околополяр- 9201104,7 23,02104 (по 17 x 25 x 13 3,7 0,20
иая гелио-горнзон-
центриче-тали) 76
ская(по вер
тикали)
Радиометр кругового сканирования в видимой и ИК-областях
NASA/
SBRC
SMS-1
1974
Синхронная геостационарная
80
2.0■
45.0
2
130 (круговое)
Диам = 45
Дл.= 22
з.з
0,04
спектра
(VISSR) Высокоразрешающий ра
NASA/
NIMBUS
1975
Околополяр-
1150
120
8,0
23,0
2
+ 52 (по
18 х 13 х 25
3,7
0,35
ITT
F(VI)
ная гелиоцент
горизон-
диометрический ИК-зонд
рическая
1 ДЛИ)
+ 50 (по
(HIRS)
— 28 вер' тикали)
0.0156
Многозональ
NASA/
ERTS-1
1972
»
920
95
1,0
64,0
2
100 (по
56 х 56 х 26
6,6
ный сканирующий радиометр (MSS)
SBRC
горизонтали) 72 (по вертикали)
0.088
RM 20А
USAF/
STP-72-2
Околополяр-
740
100а)
1,0 Вт
1,1 м2
1
Диам. = 117
SAMSO
ная (/ = 98 )
(только из
RM 20В
(LMSC) USAF/ SAMSO (NAR)
STP-72-2
»
740
135а)
5,0 Вт
1,3 м2
1
лучатель)
165 х 79
(только излучатель)
14.4
6) 0,38
*’ Температура излучателя.
61 Без учета приемника и отводящих тепло трубок.
1Ц0
4 Л
I
I
1,0
FWS о
0,10
hirs RM20Bа о5CMRavhrr q°oHCmr-DMSP о G-VHRRоRM2QA
Рис. 16.37. Характеристики радиационных криостатов [15 44. 46. 47].
/-теоретическая кривая (е=1Д Ти1=4К). AVHRR усовершенствованный радиометр с очень высоким разрешением TIROS-N (1978); HCMR - картографический радиометр С тепловой нагрузкой, прикладная исследовательская программа (устанавливался на спутнике Explorer (1977)); G-VHRR геостационарный радиометр с очень высоким разрешением (ATS-6, 1974). Остальные приборы указаны в табл. 16.15.
Р
cP
0,01V800,01V80—1—1—1—1—1—1 I I I I 100120140160180 200
0,01V80
0,01V80
/ елтература радиатора, К
конической формы, предназна-конической формы, предназна-приводится схема криостата с экраном г", _
конической формы, предназна-
конической формы, предназна-
немного для КК. обращающегося по синхронной геостационарной орбите. На рис. 16.35 показан двухкаскадный криостат фирмы ITT с экраном прямоугольной формы, предназначенный для низких околоземных орбит.
Крупногабаритные излучатели (рис. 16.36), обеспечивающие холодопроизводительность 1...5 Вт, оказывают большое влияние на конструкцию КК. Для минимизации паразитных тепловых нагрузок используются разворачиваемые экраны от излучения Солнца и Земли.
На рис. 16.37 приведены эксплуатационные характеристики некоторых радиационных криостатов.
16.8. СПРАВОЧНЫЕ ДАННЫЕ
ДЛЯ ТЕПЛОВОГО АНАЛИЗА СИСТЕМ ОХЛАЖДЕНИЯ
Перечисленные в разд. 16.2 факторы влияют на выбор типа криостата, наиболее подходящего для конкретного применения. Чтобы обеспечить основу для оценки существующих систем или концепций применительно к различным компоновкам, параметрам окружающей среды или условиям эксплуатации, необходимо провести предварительный анализ теплового баланса. Как правило, требуется определить скорость теплообмена, протекающего по одному или более из трех различных механизмов (проводимость, излучение и конвекция). В тех случаях, когда необходимо использовать теплоизоляцию и тепло может передаваться одновременно по нескольким различным механизмам, могут потребоваться экспериментальные исследования.
Когда доминирует радиационная форма теплопередачи для должно» оценки конструкции требуется учет геометрических факторон ционного теплообмена и оптических характеристик материалов и „окрьпии при поглощении, отражении и излучении. Для боями " удобства при проведении такого анализа в следующих разделах юиво дятся справочные данные о космической окружающей £д™ ° теплопередачи, включая эксплуатационные характеристики теплоизоляционных систем, и оптических свойствах, обеспечивающих термов- гуляцшо материалов и покрытий. Дополнительную информацию моХ получить из списка литературы к данной главе.
Тепловая обстановка космического пространства
КК. вращающийся вокруг Земли, подвергается воздействию излучения от внешних источников: солнечного излучения [прямого и отраженного Землей (характеризуемого альбедо)] и излучения земной поверхности.
Солнечное излучение. В табл. 16.16 приведены данные об изменении солнечного излучения на околоземной орбите с изменением расстояния между Землей и Солнцем в течение календарного года. Спутник на орбите, находящийся в тени планеты, экранируется от солнечного излучения. Затенение и время нахождения на солнечном свету изменяются в соответствии с р-углом между плоскостью орбиты спутника и плоскостью Солнце-планета (эклиптикой) (рис. 16.38). Вследствие прецессии орбиты и вращения Земли вокруг Солнца угол р изменяется постоянно (за исключением гелиосинхронных орбит). Максимальная и минимальная средние величины тепловой нагрузки от солнечного излучения на орбите определяются при ртах и р = 0 соответственно.
Следовательно, средняя орбитальная плотность теплового потока от Таблица 16.16. Изменение солнечной радиации с изменением расстояния от Земли до Солнца [48]
Дата (1-е число каждого месяца) мВт см
Январь
139,9
Февраль Март Апрель
139,3
137.8
135,5
Май
133,2
Июнь
131.6
Июль
130,9
Август
131,3
Сентябрь
132,9
Октябрь
135.0
Ноябрь
137,4
Декабрь
139,2
-
а
10,0 ^ =0°
10°
I
1,0
§'ti
0,1
20° ~зо° ^40° -50° =*55° ^60° Г 65° =-70° ^-75°
С. 80°
60 55
0,01 L 100 95 9085
^^н^ ~™Ь=^^ХГоХ"™
Солнца, приходящаяся на точку поверхности
в пространстве, равна 7 оверхности КК, ориентированного ^ - SUcosG)/.
Здесь 0-угол между вертикалью
(16.12) к поверхности и вектором солнечного
0,60
0,50
■ 1 ^ г • з
I
J
0,40-
0,30
0,20
0,10
^ 16.39. Зависимость
f^3’1965^
-Ьы. f , । , । . !,!,.[,
90 60 60 4П 30 т О А .1 1 । - I aj^jj
10 ^30 40 50 60 90
Широта, ?pJeQep
2-июль 1966 г Д?-^ЛИ °Т ШИрОТЫ местности [49].
' "^^ «™,„„а. рассчитай.,а, „о Лондону,
СолнцеСолнце1,01,0ЗемляЗемля0,50,5200200ооLOQLOQРис.Рис.о Ъ ио Ъ и9S, град а9S, град аh, км 92,6 185 370 740 1110 1480h, км 92,6 185 370 740 1110 1480100100т6т6
Солнце
Солнце
1,0
1,0
Земля
Земля
0,5
0,5
200
200
о
о
LOQ
LOQ
Рис.
Рис.
о Ъ и
о Ъ и
9S, град а
9S, град а
h, км 92,6 185 370 740 1110 1480
h, км 92,6 185 370 740 1110 1480
100
100
т6
т6
излучения; So-облученность солнечным излучением (Вт-см~2); г-доля времени пребывания на солнце (%). Если учитывать альбедо и излучение Земли, мгновенная пиковая тепловая нагрузка может возникнуть при минимальном угле р (для низкой круговой орбиты) во время локального полдня.
Альбедо Земли. Вызванная альбедо облученность К К, вращающегося по орбите вокруг Земли, равна
(16.13)(16.13)Ea = SoaFQ.
(16.13)
(16.13)
Здесь Еа-облученность, вызванная альбедо (Вт см"2); $0- облученность солнечным излучением (Втсм~2); а -альбедо (часть солнечного излучения, отражаемая от Земли); Fo-геометрический коэффициент, отражающий положение облучаемой поверхности КК относительно Земли. Хотя в большинстве случаев могут использоваться средние орбитальные величины, значение альбедо существенно изменяется на земной поверхности в зависимости от рельефа, времени года, широты местности и облачного покрова (гл. 3). На рис. 16.39 представлена зависимость альбедо от широты. Если для данной поверхности существуют долгосрочные тепловые постоянные времени, рекомендуется использовать измеренные среднеорбитальные и среднесезонные величины 0,30 + 0,02 [49].
Л, км 185 556 1110 1850
Геометрические коэффициенты для альбедо Земли в случае плоской пластины (Fu = Fal Fa2).
"геометрический коэффициент Fal для *№ПИНЬ1'^'^вРзависн-
Земли; о-геометрический коэффициент Fgl, У4*1™9^?^ линией соединяющей пластину м^ти ОТ высоты (у-угол между нормалью к пласпшсй линией Земля - Солнце;
« Землю; 0,-угол между линией, соединяющем пластину и Землю, и линие
расстояние от Земли до пластины).
Геометрический коэффициент Г„ зависит от геометрии поверхности, высоты, ориентации по отношению к земной поверхности и положения КК относительно Солнца. Таблицу значений Fa для плоских, цилиндрических и сферических поверхностей можно найти в работах Ballinger J., Christensen Е. и [50]. На рис. 16.40 представлены значения Fa для плоской поверхности.
ИК-мзлученне Земли. ИК-излучение Земли, падающее на поверхность, создает облученность Eer (Втсм-2), такую, что
Fer = Merger- (16.14)
Здесь MER - плотность потока излучения Земли (Втсм-2); FER- геометрический коэффициент. Интенсивность излучения Земли зависит от времени года и широты местности (рис. 16.41). Однако во многих случаях Землю можно рассматривать как равномерный диффузный излучатель со среднегодовой величиной плотности потока излучения 23,8 мВтсм-2 [49]. На рис. 16.42 представлены коэффициенты FER для плоской поверхности в зависимости от высоты и угла у (между нормалью к пластине и локальной вертикалью).
Эффективная температура теплойриемника. С помощью понятия «эффективная температура теплоприемника» Т$ удобно описывать радиационную обстановку в космосе при тепловом анализе. Речь идет о температуре, которую вся среда, обозреваемая с поверхности, должна была бы иметь, чтобы обменяться с КК тем же самым количеством энергии, как с отдельными источниками и теплоприемниками. Ее можно рассчитать из величин тепловых потоков среды (определения которых были даны ранее) следующим образом:
h н оS 5h н оS 52802802102101^0 V1^0 V7070Рис. 16.41.Рис. 16.41.■ / а г • з■ / а г • зм'мздзо'мщ'^ю'го'зо'ад 'ям до^гСеверШирота, градм'мздзо'мщ'^ю'го'зо'ад 'ям до^гСеверШирота, градместности Й]ИСИМОСТИ плотнос™ потока ИКместности Й]ИСИМОСТИ плотнос™ потока ИК-излучения Земли от широты-излучения Земли от широты
h н о
S 5
h н о
S 5
280
280
210
210
1^0 V
1^0 V
70
70
Рис. 16.41.
Рис. 16.41.
■ / а г • з
■ / а г • з
м'мздзо'мщ'^ю'го'зо'ад 'ям до
^гСевер
Широта, град
м'мздзо'мщ'^ю'го'зо'ад 'ям до
^гСевер
Широта, град
местности Й]ИСИМОСТИ плотнос™ потока ИК
местности Й]ИСИМОСТИ плотнос™ потока ИК
-излучения Земли от широты
-излучения Земли от широты
1957 г. * 2 июль *966 г., 3 среднегодовая величина, рассчитанная по Лондону,
1/41/4_F для теплового излучения Земли,_F для теплового излучения Земли,Рис. 16.42. Геометрический коэффициент EF падающего на плоскую пластину L5 ]•Рис. 16.42. Геометрический коэффициент EF падающего на плоскую пластину L5 ]•-коэффициент поглощения-коэффициент поглощения
1/4
1/4
_F для теплового излучения Земли,
_F для теплового излучения Земли,
Рис. 16.42. Геометрический коэффициент EF падающего на плоскую пластину L5 ]•
Рис. 16.42. Геометрический коэффициент EF падающего на плоскую пластину L5 ]•
-коэффициент поглощения
-коэффициент поглощения
(16.15)
Т, = — (as£s + «s^ + £EeR Lae
Здесь о-постоянная Стефана-Больцма , , Т^ излучения; £,-об- солнечного излучения; е-интегральный к см-2^. ^-облученность лученность прямым солнечным светом (-2у’ г ^-облученность
отраженным от Земли солнечным светом (Вт-см Ь er ИК-излучением Земли (Вт-см )•
Теория теплопередачи
Теплопроводность. Основная формула теории теплопроводности
Ы(1616)
q = -4Tx-T2^
ал (Вт)' /с-коэффициент где ^—поток тепла, проходящий через матери ^* ^„граничные
теплопроводности (Вт см" К ); " ицами (см). Когда переход температуры (К); /-расстояние между гр
тепла происходит через соединения или границы раздела, фактор к/1 в формуле (16.16) заменяется теплопроводностью контакта, которая рассматривается ниже. Если теплопередача осуществляется через теплоизоляцию. коэффициент к в этой формуле заменяется на кажущийся или эффективный коэффициент теплопроводности ксИ по внутреннему и внешнему слоям теплоизоляции.
На рис. 16.43 и 16.44 представлены коэффициенты теплопроводности некоторых металлов и твердых веществ при низких температурах. Обширные данные по коэффициентам теплопроводности имеются в изданиях Touloukian Y. el al., 1970 и National Bureau of Standards, 1954.
На стыке между двумя материалами с механическим контактом возникает сопротивление тепловому потоку, вызванное несовершенным контактом. Теплопередача через стык происходит посредством теплопроводности и излучения. Теплопроводность контакта зависит от характеристик контактирующих материалов (проводимости, степени обработки поверхности, плоскостности и твердости), давления контакта, средней температуры, природы внутриструктурной среды (жидкость,
Рис. 16.43. Низкотемпературная теплопроводность некоторых твердых веществ (с относительно низкой теплопроводностью) [46].
А - оловянно-свинцовый припой (50:50); В-сталь SAE 1020; С - бериллиево-медный сплав; D константан; Е-монель; F- кремннстая бронза; G - инконель; Н- нержавеющая сталь 347; I- плавленый кварц; J - тефлон; К - полиметакрилат; L - найлон.
Рис. 16.44. Низкотемпературная теплопроводность некоторых металлов (с относительно высокой теплопроводностью) [46].
А серебро (0,001% примесей); В- медь высокой чистоты; С-коалесцировавшая медь; D - медь; Е алюминий (монокристалл); F - сплав теллур медь. обработанный на станке; G алюминий 1100; Н алюминий 6063-Т5; 1-мсдь. фосфодеоксигени- рованная; J - алюминий 2024-Т4; К свинцовая латунь, обработанная на станке.
Температура, К
или прокладочных материаловили прокладочных материаловгаз, вакуум) и наличия окисных пленок . ЛАкп..п1|иг в соединении. Теплопроводность контакта, измеренная ®Р ы условиях, изменяется в широких пределах. На рис. ■ контакта данные измерений теплопроводности как Фун™”7ДБ подробную для параметров контакта, приведенных в табл. 16. . Теопе- информацию можно найти в работах Fontenot и провели тические расчеты теплового сопротивления контакт < УУ
или прокладочных материалов
или прокладочных материалов
Clausing и Chao.оценить аналитически (для
Теплопроводность контакта можно конт.1ктирующих материалов невакуумных условий), исходя из свои * описывается в [51]. И внутриструктурной среды. Процедур<поверхностями в процессе
Излучение. Теплопередача между Д У
излучения (гл. 1) определяется формулой(16.17)
^Wt-tl),лп (см2);
гДе (/-скорость передачи лУч^стоиТ^ ..г_геометрическийкоэф- Fr-коэффициент излучательной спосо» (Вт-см'2 К"4); Tv Т2-
фициент; о-постоянная Стефана ~Когда уравнение
абсолютные температуры поверхностейвакуумированную
(16.17) используется для расчета тепло рсзаменяется обычно
систему с многослойной изоляцией,
^гсиаь,е системы охла^инч
Номер Материал кривой
'• 16.45)
^Р- КВ. значение Матепияп , чистоты обработ- зазоо? Срсда кн поверхности Р мкм
3
4
5
6
7
8
9
10
Алюминий (2024— ТЗ)
»
»
Алюминий (75S-T6)
»
Средняя темпера- тУРа контакта, сс
12
13
14
15
16
17
18
Алюминий (2024-ТЗ) Алюминий (75S-T6) Н^ааеюща, сталь
(^Ржав™Щая сталь »
Магний (AZ-31B)
Медь (OFHC) Нержавеющая сталь/ алюминий
Bonk*0' ал^°Миний Вольфрам /графит
• L2-L6
0.20 0,45 0,15-0.20 (нс плоская)
1*6
0,25
0,15-0.20
(не плоская)
U-1,5
0,25-0.38
2.5
2,5
^"ES (окси-
тированная) 0.20-0.40 (то же) 0.18-0 23}
0,76-1,6
Ваку^м
U0 4 ММ рт. СТ.)
»
Воздух » »
№В^ЦТЯ фольга (0,2 ММ) ^'тухная фольга (0.025 мм) Вакуум
U0 мм. рТ. ст )
Воздух
fc^№ra Вакуум
U0 мм рт. ст.) »
Воздух
43
43
43
93
93
93 43
93
29
29
93
93
29
29
46
93
27
132
»
к' имеется нескор И3 Осн°вных гепм ’ ге°метрические К0ЛЬК0 '’Рограм^^^Рических соотно- чостроения хода лучей
I
Глава 16
50 000
2000
1000 —
500
200
100
1000
16
-4
* 20 ООО
2 юооо
4
(j' 5000
5
Давление контакта., 0,07 атм
Рис' 16-45. Данные измерений теплопроводности контакта [52].
методом Монте-Карло (см. Davis, Drake). На фирме Martin Marietta раоотана обобщенная система анализа теплового излучения TRASYS wm. Jensen, Gobel).
Конвекция. Передача теплоты от потока, проходящего над поверх- Q ТЬ1° с более низкой или более высокой температурой, осуществляется ^ лроцесса> называемого конвекцией. Если циркуляция происходит *3а различия плотностей, вызванного изменением температуры, кон- Щию называют свободной. Если циркуляция осуществляется с по- ощью каких-либо технических средств (например, насоса или вен- Лят°ра) или вследствие относительного движения объекта и потока, то нвекцию именуют принудительной.
Криогенные системы охлажденим
II
I
I
Рис. 16.46. Схемы компоновок L..7 [55].
Номера в кружках соответствуют индексам в уравнениях, приведенных в табл. 16.18
НомерНомерТаблица 16.18. Коэффициенты компоновки и факторы, учитывающие коэффициенты излучения при радиационном теплообмене
Номер
Номер
I Параллельные прямоугольные объемы
См. рис. 16.48, а
M2
2 Прямоугольные объемы
См. рис. 16.48, в для углов 30 и 60°
E, E2
с общей гранью
и рис. 16.48, г для углов 90 и 120 °
3 Параллельные диски
См. рис. 16.48.0
E, £2
4 Прямоугольный и ци-
См. рис. 16.48,д
E] E2
линдрический объемы
5 Концентрические цилинд
- См. работу [56]
Ey £2
ры конечной длины
6 Прямоугольный и ци-
г‘1(Z
линдрический объемы
z-yrctgx arclgx/
e1E2
на расстоянии
X — c(d. Y=a(d, Z = bjd
7 Параллельные цилиндры
^л2 = -^У^2- 1 -X+ --
-arccos^Y X = 1 + (a/6)
Фактор, учи- КомпоновкаКоэффициент компоновки Foтывающий
(см. рис. 16.46 и 16.47)коэффици
енты излу- чейи я, Г е
Элемент dA,, параллельный площади A2
Элемент dAx, нормальный к площади Л 2
Элемент dAx, параллельный диску
Элемент dAx, нормальный к диску
См. рис.16.48, е£1£2
См. рис.16.48, жг £
См. рис.16.48,з£1е2
См. рис.16.48, и£ig2
12 Элемент dAt, параллельный сегменту диска
г_ е0 1 - х1 - y1
"-"^ ^ »z х
X arctg ^Jg(0o/2)1
и + х2 + У2-2^ J
+X - cos0o
^Vu - cosOq)2 + Y2
x arctg - -”n®o
*~V(X — cos90)2 + y2_T
X^ajb, Y=c/b, z=[(l+x2 +
+ У*)2 — 4JT2J«/2
Продолжение таблицы 16.18.
Фактор, учи-
НомерНомерКомпоновка(см. рис. 16.46 и 16.47)Компоновка(см. рис. 16.46 и 16.47)Коэффициент компоновки F,тываюший
Номер
Номер
Компоновка
(см. рис. 16.46 и 16.47)
Компоновка
(см. рис. 16.46 и 16.47)
коэффициенты излучения, F,
^Гу™'8
f X \
£1 62
13
Элементпарал
лельный цилиндру
гdA, -
VI'2
X
+ — 1 я
' A-1Y
—= arctg л Jab
* ]A(Y- 1)1
LV B^Y-V 1)J
"Y^Jy+U
k X = a^b.
Y= cjbt А = (1 + У2) + X2,
В = (
1 - У)2 - X2
1 г
14
Элемент dAx, нормальный к площади /12
^dA, -
( Y \
+ X2 X£lE2
XY
х aicigi /
/х )
, X = bje,
+ Y1
^181у1 + у^
15
Элемент dA,, смежный с площадью А 2
Y=a
^
X In
I ( = — / arctg я I
"Y2(Z+ 1)1 _ _(У2 + dzJ
1 Y
- + - X
Y 2
Y( 1
—7= arctg I —p
Ji
£1^2
X =
a/b, Y=c/b,
Z = X2 + У2
16
Элемент А,, мал и полностью закрыт элементом А^
1.0
el
1
17
Бесконечные параллельные плоскости
1.0
(l/б! + l/e2 -
18
Концентрические сферы или бесконечные цилиндры
1.0
^1 !/[!/£.+T Ai
x (1/e2 — D3
Гдиви 16
363
^С- 16.48 (продолжение).®- г-компоновка 2.^С- 16.48 (продолжение).®- г-компоновка 2.
^С- 16.48 (продолжение).
®- г-компоновка 2.
^С- 16.48 (продолжение).
®- г-компоновка 2.
°-компоновка 1 б РИЧеСКИе коэффициенты [55] 6 компоновка 3L J
Рис. 16.48 (продолжение).
д компоновка 4.
a
Рис. 16.48 (продолжение).
е- компоновка 8; ж- компоновка 9.
VP
Ж
Рис. 16.48 (продолжение), з-компоновка 10; и-компоновка 11.
была разработаю1екоиаНИ“ “ о6ластях гидравлики и теплопередачи потока по поверхиости^одвижная™0 К°Т°Р°Й "РИ пРохожденИИ Препятствует тепПпп7~.„, п я пленка- возникающая на ней, эту пленку зависит от размепТТд^' ЧТ° теплопеРедача чеРсз плотности, удельной теплоемкости и ^Д*”^"
роста потока жидкости или газа и разности температур по обе стороны пленки.
Поток тепла, проходящий через пленку, можно выразить формулой qt = h.A<Tf-T),(1618)
где ^-конвективный тепловой поток (Вт); hc-коэффициент теплопередачи через поверхностную пленку (Втсм~2К-1); Л-площадь поверхности (см2); Ту Ту-температуры поверхности и пленки соответственно (К). Уравнение (16.18) может быть использовано для определения конвективного теплопритока qt, если известны Ts и Тр Если значение qc известно, расчет hc дает возможность определить разность температур Ту - Т$ и далее Ту или Т5, если одна из температур известна.
Когда поверхности (пластин, труб и тел вращения) находятся под действием вынужденной конвекции и погружены в большой объем текучей среды, принято определять Ту как температуру потока вдалеке от поверхности и обозначать ее как Т^. В случае же связанной конвекции (например, когда поток течет в трубке или канале) Ту обычно берется как температура, усредненная по энтальпии, и обозначается Тт,
Для процессов конвекции с участием газовых потоков, текущих с большой скоростью (например, в авиации), имеет смысл в уравнении (16.18) заменить Ту символом Тг, обычно обозначающим адиабатическую температуру стенок сосуда или температуру восстановления, которая представляет собой равновесную температуру, приобретаемую поверхностью в отсутствие теплообмена между ею и окружающей средой. В общем виде адиабатическая температура стенок может быть выражена через безразмерный коэффициент восстановления г;
И2/V — 1\
^=^ + /■^- = 7. 1+^—М.2 .(16.19)
2ср\2/
Здесь И— скорость свободного потока; ср-удельная теплоемкость текучей среды; у-отношение удельных теплоемкостей (cp/cv); Мо-число Маха для свободного потока. Величина г для газов обычно находится в диапазоне 0,8.. .1,0, а у-в диапазоне 1,1.. .1,7.
Для определения коэффициента теплопередачи в конвективном процессе he можно использовать три основных подхода: 1) математический анализ потока; 2) применение принципов анализа размерностей с численными постоянными, полученными из экспериментальных данных; 3) представление экспериментальных данных чисто эмпирическими формулами. На практике в большинстве случаев наилучшим оказывается второй подход. В нем используется следующее обобщенное выражение:
(16.20)
V к /\ р / \ к )
Это выражение известно как формула Нуссельта, а безразмерные труп-
пы членов в скобках носят наименования критерия Нуссельта U\D]k\ критерия Рейнольдса (DKp/ц) и критерия Прандтля (срц/к). Это базовое соотношение применяется в самых разнообразных условиях и широком диапазоне значений постоянной С. Показатели степени b и с были определены многими исследователями для конкретных конфигураций и в некоторых случаях для определенных текучих сред. Уравнения и данные для специальных случаев применения можно наити в многочисленных работах по теплообмену, приводимых в библиографическом списке к данной главе, и справочниках (например, в £55J).
Системы теплоизоляции
Механизмы теплопередачи. Теплота может передаваться через систему теплоизоляции одновременно по нескольким различным механизмам: 1) теплопроводность через твердые материалы, из которых выполнена изоляция, и между отдельными элементами изоляции по зонам контакта; 2) теплопроводность через газовые полости, содержащиеся внутри изоляционного материала; 3) излучение по таким полостям и сквозь элементы изоляции. Так как эти механизмы теплопередачи работают одновременно и взаимодействуют друг с другом, теплопроводность изоляции нельзя выразить строго аналитически через такие величины, как температура, плотность или физические характеристики материалов, из которых изготовлены элементы. В связи с этим полезно ввести кажущийся коэффициент теплопроводности ксИ, который определяют экспериментально в процессе установившейся теплопередачи с использованием основного уравнения теории теплопроводности, или эффективный коэффициент излучения есГГ, который можно определить экспериментально, заменив Fe на ecff в формуле (16.17), или рассчитать по уравнению (16.21).
Малую теплопроводность вакуумированных систем теплоизоляции во многом можно объяснить удалением газа из полостей внутри теплоизоляции. Степень вакуума, необходимую для достижения нужной эффективности теплоизоляции, можно определить, рассмотрев механизм передачи тепла. Теплопроводность через газовую среду можно классифицировать по двум областям давления: 1) область от 1 атм до нескольких мм рт.ст., где теплопроводность не зависит от давления; 2) область ниже нескольких мм. рт.ст., где такая зависимость существует. Переход от одной области к другой определяется размерами системы по отношению к среднему свободному пробегу молекул газа. Влияние давления газа на коэффициент теплопроводности характеризуют кривые на рис. 16.49. Эффективный коэффициент теплопровод- уменьшается в интервале давлений от 1...10 мм рт.ст. до мм рт. ст., где теплопроводность через газ составляет лишь малую часть остаточной теплопередачи. Конечная величина эффектив- и теплопроводности при низких давлениях остается, поскольку
Рис. 16.49. Зависимость коэффициента теплопроводности отРис. 16.49. Зависимость коэффициента теплопроводности отдавления газа [57J.
Рис. 16.49. Зависимость коэффициента теплопроводности от
Рис. 16.49. Зависимость коэффициента теплопроводности от
1-алюминиевые экраны и стекловата в воздухе; 2 теоретическая кривая (с/-0,76-мм, ° = 0,4); 3- алюминированный полиэфир и пена в гелии; 4-гофрированный алюминированный полиэфир в воздухе; 5-стекловата в воздухе; б-алюминий и стекловолокно в гелии (Т, = 20 К); 7- погруженный в гелий экран из отпущенного алюминия и стекловолокна с виниловым покрытием (Г, = 77 К); 8-теоретическая кривая (</= 0,0.54 мм а - ^-расстояние между ограничивающими поверхностями; а-коэффициент аккомодации (оез
размерный).
остается теплопередача путем проводимости твердых вешестп и .
чения между элементами изоляции.ИзлУ"
Тииы и эксплуатационные характеристики теплоизоляции R а
16.19 указаны системы теплоизоляции различных типов и их хэпя d6jI" ные свойства. В табл. 16.20 представлены основные типы теплоизоп КТСР" их достоинства н недостатки. В настоящее время одна ТЧ
№ т>. „ „, „ »™^~,~
Таблица 16.19. Типичные
Тип изоляции
свойства теплоизолирующих материалов
Коэффициент Плотность о ок теплопровод- г см"3 * eff нести к •> eff
Давление газа, мм рт. ст
стекловолокно со слу- чайной ориентацией
х Ранулированный
0.1702
теплоизолятор
алюминированные шарики
0,0448
алюминированные полусферические гранулы
0,0288
м?анУлы без покрытия Многослойный теплоизо-
0.0671
ЛЯ1°Р ^° слоев/см)
Dam/ ^СЛК0Вая сеть
7 Л”^ сеть
.SAM гофрированнымр
4,33 *10~4
2.94-10 "4
4,50-10'4
П/^'^ Лакроновый ворс Порошковый теплоизоля-
4,33 10 4
перлит
0,0115 0.0202 0,0160
^нтосель A (Monsanto) К кремниевым аэрогель ^^Тепло-
0,0056
Волокнистый теплоизолятор стекловолокно с упорядоченной ориентацией
пенополистирот пенополиуретан стекловолокно со смо- ляным связующим
0,2401 0,2500 0,3201
0,24
0,05
0,0013
0,0085
760
760
0,08
0,0036
10~б
0,08
0,0023
10'6
0.07
0.0047
io-6
0,045 0,054
0,015
19.49-10-
15,88-10"
6,75- Ю"6
6 ю-6
6 ю-6 ю~6
0,014
6,06-10"6
!0‘6
0,096
0,096 0,080
0,0011 0,0019 0,0013
760
10"6
10"3
0,015
0,049
0,030
0,0036 0.0123 0.0096
760
760
760
составляют 300 К
холодного грани,,|ых слосв
и 77 К?^^ температупыи К соответственно. 1 УРЫ
горячего и
Таблица 16.20. Характеристика различных типов
теплоизоляции
Пеноматериалы
Порошки и
Многослойная
Гранулы
Сотоад ц
волокна
изоляция
(микросферы)
структура
Достоинства
Технологич-
Технологич-
Минимальная
Гибкость кон
- Формообра-
ность
ность
теплопровод-
туров
зование
Невысокая
ность
Прогнозируе-
Несущая спо-
стоимость
Минимальная
мое поведение собность
Формообра-
плотность
зование
Недостатки
Высокая тепло-
Высокая тепло-
Низкая прогно-
Высокая
Высокая
проводность
проводность
зируемость
теплопро-
теплопро-
Умеренная
Вакуумирование
Отсутствие
водность
водность
плотность
Высокая
прочности на
Высокая
Высокая
плотность
сжатие
Большая масса корпуса
плотность
плотность
алюминия (2,5 • 10 - 6 см). Наличие зазоров между листами обеспечивается путем гофрирования каждого листа или применения разделительных листов из стекловолокна, найлона, дакрона, шелка или иных сходных с ними материалов.
Согласно теории, в системах многослойной изоляции с высоким вакуумом (давление газа 10 ~5 мм рт.ст. и менее) эффективный коэффициент излучения €cff теплоизолирующего покрытия из N изолированных слоев с коэффициентами излучения ^ и е2 противоположных поверхностей рассчитывается по формуле
Ecff =Ecff =1/ 1l/e, + 1/е2+ 11/ 1l/e, + 1/е2+ 1(16.21)(16.21)
Ecff =
Ecff =
1/ 1
l/e, + 1/е2+ 1
1/ 1
l/e, + 1/е2+ 1
(16.21)
(16.21)
Эта формула выведена в предположении, что между слоями отсутствует заметный контакт, а через их кромки не происходит заметной утечки тепла. В реальных системах эффективный коэффициент излучения £си может быть значительно больше, так как между слоями может существовать остаточное давление и отдельные слои могут касаться Друг друга в зависимости от степени сжатия покрытия, а коэффициент излучения алюминированных листов может возрасти из-за повреждения, загрязнения и т. д. Все эти факторы могут способствовать тому, что Реальная эффективность покрытия оказывается существенно ниже теоретической величины. На рис. 16.50 представлены экспериментальные и теоретические данные для листов майлара, алюминированных с обеих сторон и проложенных различными материалами. В последнее время эффективный коэффициент излучения ecff стал использоваться вместо
Рис. 16.50. Эффективный коэффициент излучения ЕеГГ многослойной теплоизоляции из майлара с двухсторонним алюминированием.
Экспериментальные условия: давление 10'5 мм рт. ст., Тк = 300 К. Г, = 77 К. /-теоретическая кривая для е, = = с2 = 0,05; 2 - майлар с двухсторонним алюминировани- ем/тизуглас (криостаты на твердом хладагенте); 3-майлар с двухсторонним алюми- нированием/тизуглас (калориметр); 4 майлар с двухсторонним алюминированием/ шелковая сеть (калориметр).
традиционной характеристики теплопроводности AcfO поскольку этот коэффициент имеет более общий характер и проще в применении, а его теоретическое значение легко рассчитать по уравнению (16.21). Обычно полагают, чго ecff не зависит от температуры, хотя существенное изменение температуры горячей поверхности может привести к изменению реального eeff (или /tcff). В этом случае измеренный коэффициент должен ыть изменен, если он применяется при нескольких температурах граничных поверхностей, отличающихся от температуры измерения. а рис. 16.51 представлен пример влияния на температуры
поверхностеи покрытия из гофрированных листов майлара, алюминированных с одной стороны.
Рис. 16.51. Зависимость коэффициента теплопроводности кеП от температуры горячей граничной поверхности Тк покрытия из гофрированных листов майлара с односторонним алюминированием (20 листов) [57].
из-из-Давление менее 10"4 мм рт. ст. 1 меренные величины; 2 кривая, построенная путем подгонки.
из-
из-
Оптические свойства материалов и покрытий, обеспечивающих терморегуляцию
При анализе обмена энергией излучения и(или) расчете равновесных температур поверхностей в космосе необходимо знать характеристики излучения, отражения и поглощения солнечной энергии соответствующих поверхностей. Основные соотношения между этими характеристиками рассматривались в гл. 1. Ниже приводятся характеристики некоторых материалов и покрытий.
В идеальном случае поверхности теплообмена можно разделить на четыре основных класса (рис. 16.52): поглотители солнечной энергии, отражатели солнечной энергии, плоские поглотители, плоские отражатели. Поглотители солнечной энергии-это прежде всего полированные металлы, характеризующиеся высокой поглотительной способностью а, и относительно низким коэффициентом излучения е в длинноволновом ИК-диапазоне спектра. Плоские поглотители (например, черная краска) обычно отличаются высокой поглотительной способностью по отношению к солнечному и ИК излучению. Алюминиевые краски представляют собой плоские отражатели, характеризующиеся умеренной и относительно постоянной отражательной способностью р по всему ИК-диапазону. Белые краски специального состава (табл. 16.21) и
А, Л7^А, А1КМ
Рис. 16.52. Характеристики четырех основных типов поверхностей те
о-поглотитель солнечного излучения; б-2-полированный сплав алю- поглотитель; г-плоский отражатель. 15 - алюминиевый краситель, а,-спектра,
миния; 3-белый краситель; 4- черный краситель 5 алюмин
ная поглощательная способность; А длина в
Таблица 16.21. Белые красители, пригодные для терморегулирования космических кораблей
Название и (или) обозначение красителя
Химический состав
Изготовитель или разработчик
Пример исполь- Тепловые
Источник ны- форма-
■ ШШ
зования на КК
характеристики
a,
«5
Терматрол
Двуокись титана,
Lockheed/
Lunar Orbiter,
0,19
0,82
58
(DC 92-007) силиконовое связующее
S-I3Окись цинка, свя-
Dow Corning
Иллинойс-
Skyner
ATS-I, OSO-I
0,21
0,88
58
S-13G
зующее R1V 602
Окись цинка, свя-
ский технологический институт
»
Lunar Orbiter
0,19
0,88
59
Z-93
зующее на силикате калия с
RTV 602
Окись цинка, свя-
»
II, HI, IV, Mariner V
OSO III, Ma-
0,18
0,88
58
PV-100
зующее силикат калия
Двуокись титана.
Vita-Var/Ge-
riner IV, Apollo SM Nimbus,
0,22
0,82
58
Кем акрил
связующее алкидная смола на основе силикона Двуокись титана.
neral Electric
Scherwin-Wil-
ERTS-A
0 24
0 86
60
Скайспар
акриловое связующее
Двуокись титана, эпоксидное связующее
Hams
Andrew Brown Co.
—
0,22
0,91
uu
60
Комитет юлучяш. полусферы при комнатной температуре.
зеркала с двойной поверхностью (именуемые оптическими солнечными отражателями) являются также солнечными отражателями в ИК-диапа- зоне спектра с низким as и высоким е.
Типичный оптический солнечный отражатель представляет собой пленку металла (обычно алюминия, серебра или золота), нанесенную из паровой фазы на твердую кремниевую пластинку или на гибкую прозрачную пленку тефлона, кантона или майлара. Хотя характеристики отражателей с гибкими пленками несколько ухудшаются в условиях космоса (а, увеличивается со временем), они отличаются большей стабильностью, чем большинство белых красок. Одним из вариантов традиционного солнечного отражателя является алюминий, анодированный особым образом, когда прозрачная пленка окиси алюминия образуется химическим способом на полированной алюминиевой подложке. Такие поверхности также несколько более устойчивы, чем белые краски. На рис. 16.53-16.55 иллюстрируется
Рис. 16.53. Зависимости от времени экспонирования / изменения нормальной способности к поглощению излучения солнца Да, для трех белых красителей [59].Рис. 16.53. Зависимости от времени экспонирования / изменения нормальной способности к поглощению излучения солнца Да, для трех белых красителей [59].а, б и в - результаты лабораторных и полетных испытаний красителей S-13, S-I3G и Z-93 соответственно. ЧЭСО - час эквивалентного солнечного освещения. Л- открытый космос; Б - околоземная орбита; В-данные лабораторных испытаний; Г-воздействие УФ-излучения при 460 К. /-спутники Mariner V, Lunar Orbiter I; 2-воздействие УФ-излучения; 3-спутники OSO-II, 111. Pegasus 1; 4- спутники Orbiter II, IV, Mariner V; 5-спутник OSO Hl; 6. ^-только воздействие УФ-излучения; 7-спутники Lunar Orbiter I. Mariner IV; 9-спутники OSO 11, III.
Рис. 16.53. Зависимости от времени экспонирования / изменения нормальной способности к поглощению излучения солнца Да, для трех белых красителей [59].
Рис. 16.53. Зависимости от времени экспонирования / изменения нормальной способности к поглощению излучения солнца Да, для трех белых красителей [59].
красок, покрытий из анодированногокрасок, покрытий из анодированногоухудшение алюминияВ табл.ухудшение алюминияВ табл.характеристик белых
красок, покрытий из анодированного
красок, покрытий из анодированного
ухудшение алюминия
В табл.
ухудшение алюминия
В табл.
и оптических солнечных °тРаж*^ материалов, в том 16.22 приведены значения а$ и е
числе красок, покрытий и оптических солне
Рис. 16.54. Зависимости от времени экспонирования способности к поглощению солнечного излучения а, для анодированного алюминиевого покрытия [61].
ЧЭСО-час эквивалентного солнечного освещения. Данные полетных испытаний алюминия 1199, анодированного во фторборной кислоте. /-спутник OSO-H (орбитальная солнечная обсерватория); 2 спутник ОАО-А (орбитальная астрономическая обсерватория).
376376Рис. 16.55. Зависимость от времени экспонирования t изменения способности к поглощеню солнечного излучения Аа$ посеребренных и алюминированных тефлоновых пленок под комбинированным воздействием УФ-излучения и бомбардировки частицами, характерным для условий открытого космоса.Рис. 16.55. Зависимость от времени экспонирования t изменения способности к поглощеню солнечного излучения Аа$ посеребренных и алюминированных тефлоновых пленок под комбинированным воздействием УФ-излучения и бомбардировки частицами, характерным для условий открытого космоса.
376
376
Рис. 16.55. Зависимость от времени экспонирования t изменения способности к поглощеню солнечного излучения Аа$ посеребренных и алюминированных тефлоновых пленок под комбинированным воздействием УФ-излучения и бомбардировки частицами, характерным для условий открытого космоса.
Рис. 16.55. Зависимость от времени экспонирования t изменения способности к поглощеню солнечного излучения Аа$ посеребренных и алюминированных тефлоновых пленок под комбинированным воздействием УФ-излучения и бомбардировки частицами, характерным для условий открытого космоса.
Криогенные системы охлаждения
ЧЭСО-час эквивалентного солнечного освещения. 1-алюминированный тефлон толщиной 0.0254 мм, полет спутника Mariner V Лаборатории реактивного движения; 2- посеребренный тефлон толщиной 0,0508 мм, полет спутника Aerojet по синхронной орбите; 3- посеребренный тефлон толщиной 0,127 мм. полет спутника IMP-H Годдардовского центра космических полетов; 4-посеребренный тефлон толщиной 0,127 мм, спутник Mariner X Годдардовского центра космических полетов; 5-посеребренный тефлон толщиной 0,127 мм, испытания Лаборатории радиационных эффектов (Boeing); 6-образцы посеребренного и алюминированного тефлона, показавшие идентичные результаты при испытаниях фирмы General Electric; 7-посеребренный тефлон толщиной 0,127 мм. лабораторные испытания фирмы Hughes Aircraft
матери ИЗЛуЧга^ и «озффициеит материалов и покрытий
Материалы
Способность поглощению солнечного излучения а.
к Коэффициент излучения в ИК-диапазоне полусферы при
»JtH
комнатной температуре ен
Металлы
^юминий 6061 полирован-
0,19
0,042
0,042
0,04
0,76
—
«НИЯ 6061 ^лиро-
0,37
4,5
^«н^Г *— ™ кле-
0,12
8,8
Алюминий анодироаан^й
0,16
3,0
0,21
Глава 16Глава 16377377
Глава 16
Глава 16
377
377
Продолжение таблицы 16.22
МатериалыМатериалыСпособность кКоэффициентО,/€япоглощениюизлучения всолнечногоИК-диапазонеизлученияполусферы приа.комнатной тем-Способность кКоэффициентО,/€япоглощениюизлучения всолнечногоИК-диапазонеизлученияполусферы приа.комнатной тем-псратуре гцпсратуре гц
Материалы
Материалы
Способность к
Коэффициент
О,/€я
поглощению
излучения в
солнечного
ИК-диапазоне
излучения
полусферы при
а.
комнатной тем-
Способность к
Коэффициент
О,/€я
поглощению
излучения в
солнечного
ИК-диапазоне
излучения
полусферы при
а.
комнатной тем-
псратуре гц
псратуре гц
Титан 6A14V
0,57
0.18
3,2
Бериллий прессованный
0,7
0,17
4.1
Бериллий полированный
0,49
0,09
5,5
Нержавеющая сталь полиро
0,4
0,05
8.0
ванная
Магний AZ31B
0,27
0,1
2,7
Серебро
0,04
0,02
2,0
Хром
0,24
0,08
3,0
Золото, напыленное в ваку
0.24
0,03
8,0
уме
Золото гальваническое
0,3
0.03
10,0
Никель
0,45
0,18
2,5
Белые красители (отража
тели солнечного излучения)
Терматрол DC-92-007 (Dow ( Arnmni
0,19
0,82
0,23
turning;
S-13 [Иллинойсский техноло
0,21
0,88
0.24
гический институт (ИТИ)1
S-I3G (ИТИ)
0,19
0,88
0,22
Z-93 (ИТИ)
0,18
0,88
0,2
PV-100 (General Electric)
0.22
0,82
0,27
Кемакрил
0,24
0,86
0,28
Скайспар
0,22
0,91
0,24
Вельвет белый (ЗМ Со.)
0,24
0,85
0,28
Черные красители (поглоти
тели излучения плоские)
Хемглейз Z-306
0,95
0,88
1,08
(Hughson Chemicals Со.)
Черный вельвет 407 (ЗМ Со.)
0,95
0,92
1,03
Черный кемакрил (Sherwin-
0,93
0,88
1.06
Williams)
Черный силикон 5I7-B-2
0,89
0,88
1,01
(W.A. Fuller) Кэт-а-лак
0,85
0,9
0,94
Парсонс блэк
0,98
0,92
1,06
Алюминиевые красители (от-
разкатели излучения плоские)
GE D4D
0,29
0,27
1,03
Еиншед мейсон
0,26
0,22
1,18
^gКриогенные системы
охлаждения
Продолжение таблицы 16.22__
Материалы ■
Способность к
Коэффициент
а./ЕМ
поглощению
излучения в
солнечного
ИК-диапазоне
излучения
полусферы при
а.
комнатной температуре €н
Прозрачные полимеры с покрытием на обратной стороне
Майлар11 алюминированный толщиной (мм)
0.00635
0.14
0,36
0,39
0.0254
0,16
0,54
0,3
0.0508
0.17
0,7
0,24
0.127
0.18
0,75
0,24
Кантон 6) алюминированный
толщиной (мм) 0.0254
0,36
0.54
0.67
0.0762
0,44
0.78
0.38
0.127
0.53
0,8
0,6
Тефлон ^ алюминированный толщиной (мм)
0.0254
0.15
0,6
0.25
0.0508
0.15
0,66
0.23
0.127
0.15
0,78
0,19
Тефлон ’ посеребренный толщиной (мм)
0.0254
0,06
0,52
0,12
0,127
0,09
0,8
0,11
Металлизированные стеклян- ные зеркала с двойной поверх-
костью
Плавленый кварц посеребренный (0.2032 мм)
0,07
0,80
0,09
Серебра микролисты (0,1524 мм)
0,07
0,82
0,085
Плавленый кварц алюминированный (0.2032 мм)
0,10
0,80
0,125
■)
6)
•>
Торговое наименование Торговое наименование Политетрафторэтилен.
полиэтилентерефталата полиимида (Dupont).
(Dupont).
ПРЕДУСИЛИТЕЛИ ФОТОСИГНАЛА
У. Слоун^
ВВЕДЕНИЕ
Практически для каждого приемника излучения, к какому бы типу он не относился, требуется предусилитель. Предусилители (ПУ) используются для усиления выходного сигнала приемника, преобразования импеданса, подачи смещения на приемник, расширения полосы частот пропускания (путем компенсации влияния шунтирующих емкостей), а также для решения подобных задач в комплексе. Придание импульсам фотосигнала необходимой формы и частотная фильтрация производятся обычно после предусиления. При проектировании предусилителя главной задачей является разработка такого устройства, которое бы выполняло перечисленные выше функции, как можно меньше ухудшая обнаружительные параметры приемника излучения. На выходе предусилитель должен создавать сигнал такой мощности, которая достаточна для управления последующими устройствами и может быть передана без искажений через соединительный кабель.
Основные требования к таким предусилителям-малый собственный шум, высокий коэффициент усиления, низкий выходной импеданс, большой динамический диапазон, хорошая линейность и достаточно высокая защищенность от микрофонного эффекта. Предусилитель должен быть компактным, так как его обычно размещают рядом с приемником и тщательно защищают от проникновения в электронные Цепи посторонних сигналов, вызванных наводками-паразитными внешними полями.
В данной главе рассматриваются виды шумов, свойственных элементам электронных схем предусилителей, и проводится анализ ухудше- ния обнаружительных характеристик приемников, которое вызывается этими шумами. Обсуждаются некоторые типы предусилителей и варианты построения их схем.
Обозначения, наименования и единицы измерения величин
Обозначения, наименования и единицы измерения величин, исполь- 3Уемых в этой главе, приведены в табл. 17.1.
William W. Sloan, Santa Barbara Research Center.
Таблица 17.1. Обозначения, наименования и единицы
измерения величин
Обозначение
Наимсновашк величины или прибора
Единица измерения
А
Коэффициент усиления (усиление) уси-
лителя
Площадь фоточувствительного эле-
В/В или А/А
мента приемника
см2
#1 • ^2' #3
Безразмерные постоянные
С
Емкость
ф
D*
Удельная обнаружительная способ-
о:
ность
Удельная обнаружительная способность системы ИК-приемник + нагруз-
см - Гц |/2/Вт
е
F
ка + предусилитель Заряд электрона Шум-фактор
см - Гц ,/2/Вт
Кл (е= 1,6-10-,9Кл)
Частота
Fir
9.
hJ,
Крутизна на низкой частоте Малосигнальный коэффициент переда-
1 ц
А/В = Ом'1
1
чи тока транзистора Ток
А"1
1
Среднеквадратичное значение шумового тока
А
j
Мнимая единица
А
к
Постоянная Больцмана
—
NF
Коэффициент шума
Дж/К
Сопротивление
—
Я vs
чУвстви^ьносгь приемки- ка ИК-излучения
ппиР»28аЯ чУвствительность системы
Ом
В/Вт
S Т
V V
приемник 4- предусилитель Лапласова переменная Температура Напряжение
В/Вт и"1 К
«S'^ ЗНаЧенИе на"Р”
В
Z
Импеданс
В
8
т
Ширина полосы частот шума gggssxss-ss Постоянная времени
Ом
Гц
В
то
;=™==^
с
(О
ПТУП
мопт
Угловая частота
^оГ ЗИСТОР с ^™'*
с
рад/с
птиз
затворо^^’"^ С «тированным
Общие соотношения
Удельная обнаружительная способность D* приемника излучения (гл. И) может быть определена следующим образом:
D* = ^v x/^J ^/7 ^Dci • (17.1)
Здесь ^v-вольтовая чувствительность приемника (В/Вт); Л,-площадь ФЧЭ (см2); KDct- среднеквадратичное значение шума приемника (В)и; Д/-ширина полосы частот пропускания электронного тракта (Гц). Эквивалентная ширина полосы частот шума может быть определена как ширина полосы частот теоретически возможного устройства с идеальной частотной характеристикой в виде прямоугольного окна, у которого полная мощность шума равна мощности шума на выходе данной схемы. Обнаружительная способность системы, состоящей из приемника, предусилителя и сопротивления нагрузки (или сопротивления, посредством которого задается смещение на приемнике), может быть определена как
D* = ^vsx/5^/Ps„. (17.2)
Здесь ^YS-вольтовая чувствительность системы приемник-предусилитель (В/Вт); P^ys-среднеквадратичное значение напряжения шума на выходе системы приемник-предусилитель (В). Вольтовая чувствительность и напряжение шума фотоэлектронной системы обычно зависят от частоты.
Оптимум отношения сигнал/шум на выходе системы, содержащей ФЧЭ с предварительно заданными размерами и работающей в заданных условиях (т. е. при фиксированной температуре, уровне фона, смещении, в определенном спектральном диапазоне и т.д.), может быть получен путем оптимизации отношения ^vs/Vsys во всем необходимом диапазоне частот.
Частотная зависимость чувствительности ^vs фотоэлектронной системы определяется типами приемника, предусилителя и схемы смещения ФЧЭ, а также величиной эквивалентной емкости, включенной параллельно приемнику. Вольтовую чувствительность приемника или характер ее частотной зависимости можно изменить, применяя операционные усилители с различным входным импедансом и различными амплитудно-частотными характеристиками (АЧХ). Операционные усилители и их характеристики рассматриваются jb разд. 17.4 и 17.5.
Источники шума, определяющие величину Цу$ и характер ее зависимости от частоты, описываются в разд. 17.2 и 17.3.
“ Здесь и далее в этой главе автор использует черту над буквой не в традиционном смысле (как знак усреднения), а как обоз на чение_сред неквадратичного значения. Строго говоря, следовало бы писать V^^1 вмест0 1о«“ v Tjy, вместо PSys и т. д- Прим, перев.
ШУМ
Шум системы приемник - предусилитель описывается членом PSp. Это напряжение шума обусловлено источниками шума двух типов: внутренними и внешними. Если названные шумовые составляющие некоррелкрованы. мощность шума (она пропорциональна квадрату шумового напряжения) можно представить в виде суммы, %,= Ч+^.(173)
где ^-напряжение шума, обусловленного внешними источниками (В); ^-напряжение собственного (внутреннего) шума приемника (В). Мощность шума внешних источников Кб может быть обусловлена внешними электромагнитными наводками и механическими колебаниями элементов электронных схем (микрофонный эффект). Величина и характер частотной зависимости шума, обусловленного внешними источниками, зависит от того, в каких внешних условиях работает система приемник - предусилитель. В данной главе мы будем считать, что внешние источники шума отсутствуют, т. е. VE = 0; таким образом, V^=Vh(17.4)
Квадрат напряжения шума, обусловленного внутренними источниками шума, имеет следующие составляющие: квадрат напряжения шума самого приемника Ppct и квадрат напряжения шума предусилителя и схемы смещения кд. Воздействие шумов предусилителя и схемы смещения на приемник (и наоборот) может обусловить корреляцию этих шумовых составляющих. Обычно такой корреляцией можно пренебречь, если чувствительность и импеданс приемника слабо меняются в зависимости от уровня смещения.
Следовательно, полную мощность шума системы приемник-предусилитель можно представить в следующем виде (корреляцией пренебрегаем):
^=^,4-Ра-(17.5)
В оставшейся части настоящего раздела мы рассмотрим составляющую мощности шума К*.
Источники шума и их характеристика
Тепловой шум [1-3]. Во всех резисторах тепловое движение свободных носителей заряда вызывает шум. Это случайный процесс, характеризующийся равномерным распределением мощности шума по частоте, акое распределение часто называют «белым» спектром мощности, а сам шум-«белым» шумом.
Наиквист [3] установил теоретически, а Джонсон [2] доказал экспериментально, что средний квадрат напряжения шума Р?, генери-
резистором, выражается формулой руемою^
^-4kTR^f
\ постоянная Больцмана (1,38 -10*” Дж/К). Т-температура (К); ^сопротивление резистора (Ом); Д/-эффективная шумовая полоса ^тЧлиой (ДЖОНСОНОВ) шум возникает в нагрузочных резисторах
Тепловой (Д< С1;ЯЗИ) в базе биполярных транзисторов при
резисторах цР^ резИсторах, представляющих собой сопро-
растекании тока ’ тпанзистора (ПТ), в контактных сопротивле- тивление канала поле® ^ определении полного шума электронной ниях диода и транзистора^ при определеш^^^
схемы, содержащей эти элементы, Moiyi
эквивалентные ^емы Соеднеквадратичное значение тока дробового
'-^"^.-"^ -~1" ™ -1'6"” "** п на частотах ниже частоты среза имеет вид^ ^
" " *“” ш,“w
ными и быстрыми состоянисебя ^ довушки для основных
Медленные состояния в основном J_ как центры рекомбинации
носителей заряда, а быстрыстепени заполнения медленных
неосновных носителей. Ф№“™ и*ктивное сечение захвата состояний модулируютX неосновных носителей
рекомбинационных центров.Увызывают флуктуации
которые рекомбинируют на п0сопротивления.
через рп-переход (ы) и модуля^ приборы, основанные на про
Прямосмешенныеполупроводника («апри^
димости приповерхностнойповерхностного шума при
^«"^ЕТ^ ”““ь ”“”'”°
’""р-.*™.по”;""ш"~ »«'»""""•-
Гназываютj
циональна частоте, его н „чй.1Точным шумом.
фликкер-шумом, шумом 1//или_ого шума в рл-переходе
Средний квадрат токаобразом:
(17-8)(17.9)(17-8)(17.9)П„. можно приближенно представить следу
(17-8)
(17.9)
(17-8)
(17.9)
/2 ^Sur ^ ^J
n„»KSu, ^ln(f2//J-
Здесь ^-нижняя граница эффективной (по мощности) полосы пропускания (Гц); /,-верхняя граница эффективной (по мощности) полосы пропускания (Гц); /в-постоянный ток. протекающий через рл-переход (A); KSur- константа, зависящая от качества поверхности.
Шум утечки [4-7]. Большинство полупроводниковых и тонкопленочных резисторов проявляют шум утечки, который связан с проводимостью по поверхности прибора. Этот шум зависит от состояния поверхности прибора и его топологии, а также от температуры и напряжения смещения. В шуме утечки можно выделить три составляющие: (//-шум, «белый» шум и взрывной шум.
Механизм взрывного шума не вполне ясен, однако известно, что этот шум может быть почти полностью исключен, если принять определенные технологические меры при изготовлении прибора. Взрывной шум характеризуется апериодическими скачками среднего значения напряжения шума.
«Белый» шум, как считают, порождается проводящим каналом, образующимся в поверхностном слое. Проводимость такого канала зависит от напряжения на нем и температуры. Средний квадрат напряжения «белого» шума выражается формулой
^ек-КуГв2,(17.10)
где Кек-среднеквадратичное значение напряжения «белого» шума в шуме утечки (В); Гв-падение напряжения на канале (В); Kv-константа, зависящая от состояния поверхности и температуры.
смещения. Эта составляющаясмещения. Эта составляющаявыражением:(17.11)выражением:(17.11)1//-шум вызывают спонтанные изменения проводимости слоя, по которому происходит утечка. Его интенсивность сильно зависит от состояния поверхности и напряжения СтСимия. шума утечки приближенно описывается следующим
смещения. Эта составляющая
смещения. Эта составляющая
выражением:
(17.11)
выражением:
(17.11)
^Zek * KUk /2.к In^//.),
тока 1//-шума, связанного стока 1//-шума, связанного сгде /Lck-среднеквадратичное значение/v __,.... . -
тока 1//-шума, связанного с
тока 1//-шума, связанного с
утечкой (А); /ик-ток утечки (A); KLek-константа, зависящая от состояния поверхности для тока 1//-шума; /,-нижняя граница эффективной (по мощности) частотной полосы (Гц); /2-верхняя граница эффективной (по мощности) частотной полосы (Гц).
Шум-фактор (F)
Шум-фактор обычно определяется как отношение полной мощности шума, выделяемой в нагрузке, к той ее части, которая вызвана шумом источника сигнала:
полная мощность шума в нагрузке
г =——.(I/.1^/
мощность шума в нагрузке от источника сигнала
В системе приемник-предусилитель первый элемент является источником сигнала; его шум зависит от многих факторов (например, от температуры приемника, материала, из которого он изготовлен, режима смешения, фона). Учитывая это, имеет смысл ввести более удобное выражение для шум-фактора, позволяющее сравнивать предусилители между собой:
полная мощность шума в нагрузке
f = — мощность теплового шума эквивалентного резистора, выделяемая в нагрузке
(17.13)
Здесь приемник излучения как источник шума представлен эквивалентным шумовым сопротивлением (чей тепловой шум равен шуму приемника излучения). Чаще всего выражение (17.12) используется применительно к системе приемник-предусилитель. Коэффициент шума NF определяется как шум-фактор, выраженный в децибелах;
(17.14)(17.15)(17.16)(17.14)(17.15)(17.16)NF = 10lgFl). Таким образом, NF = 10lg(P2/^) = lOlgf/2/^), NF = 10lg(l + Pi/Pf), NF = 101g(l + РЛ№.
(17.14)
(17.15)
(17.16)
(17.14)
(17.15)
(17.16)
Здесь V-среднеквадратичное значение напряжения полного шума в нагрузке (В); Ит-среднеквадратичное значение напряжения теплового шума эквивалентного шумового сопротивления (В); КА-среднеквадратичное значение напряжения шума в нагрузке, вызванного шумом предусилителя и шумом тока, задающего рабочую точку приемника (В); {-среднеквадратичное значение тока полного шума в нагрузке (А); ^-среднеквадратичное значение тока теплового шума эквивалентного шумового сопротивления (А); /А - среднеквадратичное значение тока шума в нагрузке, вызванного шумом предусилителя и шумом тока, задающего рабочую точку приемника (А).
Шумовые эквивалентные схемы (ЭС) элементов электронных схем
Шумовая ЭС резистора [1]. Шум резистора можно моделировать Двумя способами: 1) с помощью шумовой ЭС, состоящей из последовательно соединенных источника напряжения шума и нешумящего резистора (рис. 17.1, а); 2) с помощью шумовой ЭС, состоящей из параллельно соединенных источника тока шума в нешумящего резистора (рис. 17.1, 6).
Для резистора с сопротивлением R. обладающего только тепловым
п Чаще и параметр F, и параметр NF взывают ко*цн^ исключая путаницу указанием единиц измерения (1 или дБ). В переводе оставлен авторская терминология - Прим, перев.
(17.17)(17.17)не значения шумовых того что источники нене значения шумовых того что источники не«екоррс^ро^,,^^^^«екоррс^ро^,,^^^^vvсссстптпrsrs!Т!ТLL
(17.17)
(17.17)
не значения шумовых того что источники не
не значения шумовых того что источники не
«екоррс^ро^,,^^^^
«екоррс^ро^,,^^^^
v
v
сс
сс
тп
тп
rs
rs
!Т
!Т
L
L
Рис 17.1. Шумовая эквивалентная схема резистора. / среднеквадратичное значение тока шума; R сопротивление; р среднеквадратичное значение напряжения шума, и источник напряжения. включенный последовательно с нешумящим резистором; б - источник тока, включенный параллельно с нс- шумяшнм резистором.
шумом, в первом варианте шумовой ЭС имеем Р2 = ^ = 4kTR\f;
во втором варианте
Р = Ц = 4кТ^/К. (17.18) Для полупроводниковых резисторов, обладающих избыточным шумом, соответствующее шумовое напряжение (или шумовой ток) должно складываться с напряжением (или током), который выражается формулой (17.17) [или (17.18)]. Выражения для средних квадратов напряжения (тока) шума имеют вид
^ = R1 К^Пп^Л), Л,, = Ks„,l ln(f2//t).(17.19). (17.20)
Здесь R- измеренное значение эквивалентного шумового сопротивления.
Следует обратить внимание на особенность, связанную с использованием шумовых ЭС. При определении суммарного шума в цепи с несколькими источниками шума складываются токов или напряжений, а их квадраты (вследствие коррелированы):
(17.21), (17.22)(17.21), (17.22)Р2=^+^ + ...+ Р2
(17.21), (17.22)
(17.21), (17.22)
значения напряжений шума шума (В); /,, /2, ..., /п-среднеквадра-
^^ ^ * области низких частот [7].
ST* уровне тока; R-» солрот^ен^^ смешении на постоянном токе при ж^^Т^8^6 ^чсния ^умовыГтоков ^^ сопротивление контакта,
вой invw Дробовой шум /’«-перехода Г ||амРяженнй: Р„- шум сопротивления вон шум ^-перехода.Да' *' поверхносный шум и шум утечкиГТ гепло-
Рис. 17.3. Шумовая эквивалентная схема биполярного транзистора в области низких частот [7].
^-сопротивление растекания базы; R^-модуляционное сопротивление эмиттерного /и-перехода на постоянном токе; R, - динамическое сопротивление эмиттерного перехода; Rt-динамическое сопротивление коллекторного перехода. Среднеквадратичные значения шумовых токов и напряжений: Тх, - шум коллекторною тока; Тхь - шум проводимости эмиттерного перехода; I1L ток дробового шума, протекающего через эмиттерный переход; l1L- ток шума утечки и поверхностного шума коллекторного перехода; Г^, шум сопротивления растекания базы.
тичные значения шумовых токов некоррелированных источников шума (А); V -средний квадрат напряжения полного шума (В2); /2-средний квадрат полного шумового тока (А2).
Шумовая ЭС диода [4-7]. Шумовая ЭС диода для области низких частот представлена на рис. 17.2.
Шумовая ЭС биполярного транзистора [4-8]. Шумовая ЭС биполярного транзистора в области низких частот представлена на рис. 17.3. Для средних квадратов шумовых токов Рк$ и Т^ справедливы следующие выражения:
Н. = 2<-(7, + /„)Д/+2е/„Д/, Ц, = 2е1икМ; (17.23), (17.24) где 1 uk ~ постоянный ток утечки коллекторного перехода (А); Т1Э- ^Днеквадратичное значение тока дробового шума эмиттерного ^■перехода (А); /2,-среднеквадратичное значение тока дробового шума коллекторного /w-пере хода (А); /в-ток эмиттера биполярного траизис- т°ра (А); 1ее-ток базы биполярного транзистора (А). Указанные токи во многих биполярных транзисторах коррелированы: степень их корреля- Дии должна устанавливаться экспериментально.
Типичные зависимости шума биполярного транзистора приведены на рис. 17.4 и 17.5. В качестве примера взят транзистор 2N3811A Motorola. На частотах ниже 20 Гц_ преобладает 1/^шум (рис. 17.4), связанный с токами шума утечки (/2L) u поверхностного шума (/lL)- Ток Гц, ^-шума может быть оценен из данных рис. 17,5,6.
LQ 5.0
•Та г ^4» | У)
^ 1U 20 30 50 100 200 300 500 1,0к грк5, Ok Юк 20k50к ЮОк
Частота, Гц
Рис. 17.4. Частотные зависимости коэффициента шума для транзистора 2N38I1A Motorola [8].
/с-ток коллектора; R,-сопротивление источника сигнала; Тл -температура окружающей среды: ^-напряжение коллектор - эмиттер.
При токе коллектора /с = 100 мкА, частоте 10 Гц и сопротивлении источника Rg = 100 Ом коэффициент шума составляет 8 дБ. Т^ким образом, используя данное в разд. 17.2.2 определение коэффициента шума, найдем напряжение шума усилительной схемы при температуре Т = 300 К для низкоомного источника сигнала:
(17.25)(17.25)Г(10 Гц) ^ 3,24-10-9 В.
(17.25)
(17.25)
Здесь И(10 Гц)-полный шум, включающий шум усилителя ИЛ и тепловой шум Ит эквивалентного сопротивления источника сигнала (100 Ом).
Тепловой шум Рт (разд. 17.2.1) такого сопротивления составляет
Fr= I.2910-9 В(17.26)
и. следовательно, вычисление разности квадратов V и VT дает
ЙДЮ Гц) = 2,97-10^9 В.(17.27)
Величина Рх( 10 Гц)-собственный шум усилителя на частоте 10 Гц ^F = 8,0 дБ из рис. 17.5,6); она рассчитывается как У^ОО Гц) - V^.
Расчет, проведенный аналогично для частоты 1 кГц и коэффициента шума 6,0 дБ (рис. 17.5, а), дал
Р(1 кГц) = 2,57-10"9 В, Рл(1 кГц) = 2,22-10’9 В. (17.28), (17.29)
Здесь Рл(1 кГц)-собственный шум усилителя на частоте I кГц.
Если предположить, что корреляция между 1//- и «белым» шумами полностью отсутствует, то шумовая разность (корень квадратный из разности средних квадратов) напряжений полного шума Рл (10 г!Д) и «белого» шума Ул(1 кГц) даст следующее значение напряжения 1//- шума (составляющая шума утечки и поверхностного шума) на частоте 10 Гц:
P2L(10 Гц) = 1,69-10"9 В.(17.30)
Ток дробового шума, протекающий через эмиттерный ^-переход, можно рассчитать по формуле
Л, = VwT^UA/T^^^ = 5,64 ■ Ю"12 А.(17.31)
Сопротивление базы 260 Ом можно найти с помощью типичного для кремниевых переходов значения 26-Ю"3 Ом-А при токе 1С = 100 мкА.
Отсюда найдем дробовой шум эмиттерного перехода:
^ь = ТхДКе + Rbb + Rmb) = 1,47 -10~9 В.(17.32)
Шум VA (1 кГц) превышает шум Р1$ из-за шума распределенного сопротивления базы Rbb и избыточных поверхностного шума и шума утечки. Такие же вычисления можно проделать для высокоомного источника сигнала (20 кОм). Приведем их результаты:
Р(Ю Гц) = 32,7-10"9 В (NF = 5,1 дБ),(17.33)
йг(20 кОм) = 18,2-10"9 В,(17.34)
Рл(10 Гц) = 27,2-10-9 В,(17.35)
Р(1 кГц) = 20,4-Ю~9 В (NF=1,0aB),(17.36)
Рл (1 кГц) = 9,26-10"9 В, P2L(10 Гц) = 17,29-10"9 В. (17.37), (17.38) Напряжение шума V2L в основном определяется поверхностным 1//- шумом и 1//"-шумом утечки коллекторного перехода I2L. Поэтому Г2ь^ P2L/20 кОм ^ 0,865-10'12 А.(17.39)
Здесь T2L-среднеквадратичное значение тока I//-составляющих шума утечки и поверхностного шума. В случае низкоомного (100 Ом) источни-
ка сигнала величина вклада этого шумового тока в H2L составит 86.5-10"12 В. Если корреляция отсутствует, значение VXL (напряжение, создаваемое шумовым током эмиттерного перехода) при низкоомном источнике сигнала равно
^(Ю Гц) = 7,5-IO'10 В.(17.40)
Таким образом, если считать сопротивление базы равным 260 Ом, 1//-составляющая шумового тока утечки составит
f1L (Ю Гц) = 2,9 10-12 А.(17.41)
Искомая величина рассчитывается по формуле
Ль = VxlKR, + R^-v Rbb\(17.42)
Обычно источники токов TXL и I1L частично коррелированы; степень их корреляции должна определяться экспериментально для каждого прибора.
Полевые транзисторы с управляющим рл-переходом (ПТУП) [9. 10]. Шумовая эквивалентная схема ПТУП в области низких частот изображена на рис. 17.6. В соответствии с обозначениями на рис. 17.6 определим шумовые токи и напряжения ПТУП следующими уравнениями: Л = (2е/,Д/ + ^)Ш. T2 = kB24kT^/(jmA-P2Ly'\(17.43), (17.44)
^ = (<Вх4кТДф/дтУ'\ V4 = (4kTRdcAjy,\(17.45), (17.46)
P, = (4kT/?KA/)1/2,(17.47)
где IXL~среднеквадратичное значение тока поверхностного шума моду-где IXL~среднеквадратичное значение тока поверхностного шума моду-
где IXL~среднеквадратичное значение тока поверхностного шума моду-
где IXL~среднеквадратичное значение тока поверхностного шума моду-
Исток
Рис 17.6. Шумовая эквивалентная схема ПТУП.
ас *ас *^^^L,351!/8011-^0^ си емкостъ затвор сток: крутизна ПТУП в области частот, -разность потенциалов затвор - исток; Rdl-сопротивление сток-исток; ™Ов°Г° контакта Среднеквадратичные значения шумовых токов ШуМ и ХЯ"Ш^М атвора; Г2-тепловой шум канала и 1//-шум тока Р-тетч^йканала; ^-тепловой шум сопротивления стокового контакта;
ас *
ас *
К, тепловой шум сопротивления истокового контакта.
Рис. 17.7. Типичная частотная зависимость шума ПТУП 2N5564-66 Siliconix [И].
Ид-напряжение сток-исток; I,- ток стока; Г, среднеквадратичное значение напряжения шума, приведенного к входу.
лирующего потенциал затвора (A); T2L- среднеквадратичное значение тока поверхностного шума, модулирующего разность потенциалов сток-исток (А); Вх, В2 - безразмерные постоянные, зависящие от конкретного прибора и режима работы. Типичная частотная зависимость шума ПТУП приведена для прибора 2N5564-66 Siliconix на рис. 17.7. Эта зависимость относится к режиму затвора, закороченного с истоком в схеме с общим истоком. Типичное значение крутизны для этого прибора при прямом смещении составляет 10 мА/B при токе 5 мА. Таким образом, Rds « Мдт = 100 Ом. Полагая Rdc«Rds и RS(«Rds,
получим
Р1% К = У5^ТАЖ.
Отсюда
gmVx = jBx4kTA/gm.
(17.48)(17.48)(17.49)(17.49)Вкладом генератора тока Г] можно пренебречь вследствие его малости. Полный шумовой ток можно выразить как шумовой ток стока
(17.48)
(17.48)
(17.49)
(17.49)
ПТУП.
7*2 = ^П + 71 = 1^ + В2\4кТдтА/ + HL.(17.50)
Здесь через | Вх + В21 обозначена абсолютная величина суммы Вх + В2. Для среднеквадратичного значения шумового напряжения имеем фор-
мулы
(17.51)(17.52)(17.51)(17.52)WW-
(17.51)
(17.52)
(17.51)
(17.52)
К = УГвГТв^нГгдТ/^ТЛГ^!.
Минимальное значение 18, + 8, | есть 1. При этом значении и крутизне
9-=ЮмА/В шум канала составляет V= 1.27 ■ 10
значение Ил на частоте 10 кГц составляет 1,4 10 В, асоотве у
Шумовой ток есть 11
72L = 5,910-12 А.(
'~^ГзТОМ предполагается. что избыточный шум целиком обусловлен поверхностным шумом и шумом утечки.
Типичное значение поверхностного шума и шума утечки, оцениваемое из величины тока утечки, приводимой в паспортных данных прибора, составляет
r,L = 41(r15 А. (17.54)
Так как значение T1L, найденное в предположении, что весь избыточный шум связан с поверхностным шумом и шумом утечки, превышает на три порядка величины оценку, полученную из известной величины тока утечки, следует часть избыточного шума отнести на счет канала; иначе говоря, значения Rd и R$ должно быть лишь немного меньше R^. 1//-составляющую поверхностного шума и шума утечки (/2L) можно рассчитать на частоте 10 Гц по формуле
hL = xAP's^lioKru-t^S^lnr^7.8810"11 А. (17.55), (17.56)
Полевые транзисторы со структурой МОП [9, 12-15]. На рис. 17.8 представлена шумовая ЭС для транзисторов со структурой металл - окисел-полупроводник, или полевых транзисторов с изолированным затвором (ПТИЗ)1).
Приведенные на рис. 17.8 параметры выражаются следующими уравнениями:
Рис. 17.8. Шумовая эквивалентная схема МОПТ.
Ср-емкость затвор - исток; Си-емкость затвор-сток; д„-крутизна в области нИ31^ частот; /Z^-сопротивление стокового контакта; Rd$-сопротивление сток-исток; Ку-сопротивление истокового контакта. Среднеквадратичные значения шумовых токов и напряжении. I, -шумовой ток между затвором и истоком МОПТ (аналогичен шумовому току между базой и змиттером биполярного транзистора); Г2- шумовой ток между истоком и стоком МОПТ (аналогичен шумовому току между коллектором и базой в биполярном транзисторе;. /пЬ,-1//-шумовой ток подложки, протекающий в цепь затвора; Vd-тепловой шум сопротивления стокового контакта; V, - тепловой шум сопротивления истокового контакта.
Частота, Ги,
Рис. 17.9. Типичная частотная зависимость напряжения шума, приведенного ко входу МОПТ, для случая короткозамкнутого входа на примере р-канального МОПТ Ml 19 Siliconix.
^-напряжение сток-исток, /о-ток стока, и. - среднеквадратичное значение напряжения шума, приведенного ко входу.
Г2 = ув^кТА/Зм + Л! • ^ы = V2gLp М-
Lb 2 = J^'nsM,V^JMVTMTk-
Vs = jAkTMR*,
Vc = ^в^кТЬ//дт,
рис
(17.57), (17.58)
(17.59), (17.60)
(17.61), (17.62)
. 17.8, а остальные
в которых часть величин указана в подписи к определяются ниже: /2ь-ток шума утечки и между истоком и стоком (часть шумового тока __ ток ри-перехода подложка-сток (А); 78S-обратный ток pzz-перехода подложка-исток (A); Bv> S2-безразмерные постоянные.
Типичная частотная зависимость напряжения шума МОПТ приведена на рис. 17.9 для р-канального МОПТ Ml 19 Siliconix.
На высоких частотах полный шум стремится к шуму канала
vn (100 к Гц) = ^^ГдЛ^ГдТК •(17'63)
1//-составляющая тока шума утечки и поверхностного шума Цгь — 1 Гц имеет значение 3,80 ■ 10-1 А (считаем дт-
поверхностного шума/2) (А); /80-обратный
= vngm) на частоте = 1000 мкА/В).
Рис. 17.10. Усилитель на основе биполярного транзистора, включенного по схеме с общим эмиттером.
^/,-сопротивление нагрузки; /?с-сопротив- ление коллектора; А 2 - коэффициент усиления по напряжению усилительного каскада; Qt -биполярный транзистор; ^-сопротив
ление истока.
АКТИВНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ ЭЛЕКТРОННЫХ СХЕМ
Биполярные транзисторы
Биполярные транзисторы используются в ПУ фотосигнала в трех основных вариантах схем, примеры которых рассматриваются ниже
AT=101g(l + V^/V^V^/AtV^AT=101g(l + V^/V^V^/AtV^(17.64)(17.64)Схема с общим эмиттером (ОЭ) (рис. 17.10). Предусилитель на основе биполярного транзистора, включенного по схеме ОЭ, обладает усилением как по току (^ hje\ так и по напряжению (^ RC/(RS + R^Y здесь ЛА-малосигнальный коэффициент передачи тока, Rc- сопротивление в цепи коллектора. Rs-сопротивление в цепи эмиттера, Ле-сопротивление эмиттера транзистора. Эта схема эффективна в том случае, если импеданс приемника больше Re и меньше hfe (Rs + Re). Шум, приведенный ко входу схемы, и шум генератора сигнала (приемника излучения) усиливаются с коэффициентом усиления предусилителя Av. В итоге имеем следующее выражение для коэффициента шума для усилителя в целом:
AT=101g(l + V^/V^V^/AtV^
AT=101g(l + V^/V^V^/AtV^
(17.64)
(17.64)
г^ ^ среднеквадРатичное значение напряжения шума транзистора О. (В). УТ-среднеквадратичное значение напряжения теплового шума резистора /?5 в эмиттерной цепи (В); УА2 -среднеквадратичное значение нагфяжеиия шума второго каскада - усилителя напряжения с коэффици- ка«ГтяУпИЛеНиЯ А1 В); ^'ко*™ усиления по напряжению каскада предусилителя на транзисторе Qx (В).
(пиг3^^ повт°Рнтель- м** схема с общим коллектором (ОК) тоантиетппя эмиттеРН0Г0 повторителя на основе биполярного усилением по ТОКУ- приблизительно равным h,..
СмещениеСмещениеи коэффициентом передачи напряжения, меньшим единицы RSHR +
Смещение
Смещение
Рис. 17.11. Усилитель на основе биполярного транзистора, включенного по схеме эмиттерного повторителя (схема с общим коллектором).
-сопротивление нагрузки; (^-биполярный транзистор; А2 -коэффициент усиления о напряжению усилительного каскада; Rs- сопротиеление истока.
Рис. 17.12. Усилитель на основе биполярного транзистора, включенного по схеме с общей базой.
Rc-сопротивление коллектора; /12-коэффициент усиления по напряжению усилительного каскада; Q,-биполярный транзистор.
изображенной на рис. 17.11, используется при необходимости преобразовать импеданс источника сигнала перед усилением сигнала по напряжению во втором каскаде (^2)- Коэффициент шума для усилителя в целом выражается так же, как и для ранее рассмотренной схемы ОЭ; при этом коэффициент усиления ПУ для схемы ОК меньше единицы U1 < 1).
Схема с общей базой (ОБ) (рис. 17.12). Схема ПУ с общей базой на основе биполярного транзистора обладает усилением по напряжению, большим единицы [^ Rc/(RDeX + 7Q], и коэффициентом передачи тока, несколько меньшим единицы [%/</,(!+А/«)]- Такая схема полезна в сочетании с низкоомными приемниками-фоторезисторами. Выражение для коэффициента шума такое же, как и для схемы ОЭ.
Среднеквадратичное значение шума ПУ на основе биполярного транзистора (РЛ1) можно уменьшить при использовании транзисторов любого типа, если включить их параллельно. Если N параллельно включаемых транзисторов работают в одинаковом режиме и корреляция шумов между ними отсутствует, то можно снизить собственный шум ПУ до уровня VaJs/n. При этом в ^/N раз возрастают емкостные составляющие шумовых токов на входе и в N раз-ток покоя, протекающий через приемник и обеспечивающий рабочую точку входного каскада.
Рис. 17.13. Усилитель на ПТУП, включенном по схеме с общим истоком.
^ь Rc, А2 те же, что на рис. 17.12; Qx - ПТУП.
Рис. 17.14. Усилитель на ПТУП. включенном по схеме истокового повторителя.
R] - нагрузочное сопротивление; Rf - сопротивление повторителя: Q, ПТУГГ; Л2-коэффициент усиления по напряжению усилительного каскада.
Полевые транзисторы с управляющим /^-переходом
ПТУП используют как при включении с общим истоком, так и в схеме истокового повторителя с общим стоком. Усилительная схема на ПТУП с общим истоком изображена на рис. 17.13.
Усиление по напряжению каскада ПУ в этой схеме с общим истоком равно приблизительно gmRc, где дт-крутизна ПТУП в области низких частот. При этом предполагается, что динамическое сопротивление стока ПТУП много больше Rc (обозначения см. на рис. 17.13). Данная схема может использоваться для согласования с приемником с импедансом (или сопротивлением нагрузки R^ до 1О10 Ом при сравнительно узкой частотной полосе пропускания. Ток утечки обратносмещенного ^«-перехода затвора ПТУП и дробовой шум начинают ограничивать эффективность этой схемы при импедансах ФЧЭ выше 1О10 Ом. если не использовать охлаждаемые ПТУП. Ток утечки и дробовой шум можно уменьшить на порядок величины при охлаждении транзистора до 77 К, что позволяет расширить диапазон значений импедансов приемника до 1011 Ом.
Пример схемы истокового повторителя на ПТУП представлен на рис. 17.14. Коэффициент передачи напряжения каскада ПУ равен в этом случае приблизительно ^//(Я^ + g'1) (обозначения см. на рис. 17.14), т. е. меньше единицы. Истоковый повторитель на ПТУП при использовании для согласования с приемником с импедансом вплоть до 1010 Ом обладает более широкой полосой пропускания, чем схема с общим истоком. Наиболее часто эта схема применяется в тех случаях, когда необходимо изменить импеданс источника сигнала перед подачей его на каскад усиления по напряжению (Л2). Выходное сопротивление схемы
Рис. 17.15. Усилитель на МОПТ включенном „о схеме с общим ис^
Смещение приеллника.Смещение приеллника.Rl - нагрузочное сопротивление; Rc сопротивление коллектора; Л: коэффициент усиления по напряжению усилительного каскада. е^МОПТ.
Смещение приеллника.
Смещение приеллника.
истокового повторителя равно приблизительно Кг/(\ -VgmRj).
Коэффициент шума усилителей на основе ПТУП рассчитывается по формуле (17.64) при подстановке в нее соответствующих значений для коэффициента усиления А,.
ПТУП могут использоваться в условиях охлаждения, улучшающих показатели устройств. Кремниевые ПТУП сохраняют работоспособность до температуры 30 К, а германиевые-до 4 К.
Полевые транзисторы со структурой металл - окисел - полупроводник
МОПТ могут использоваться как в схеме с общим истоком, так и в истоковых повторителях. Пример первой схемы приведен на рис. 17.15. Усиление по напряжению в этом случае равно приблизительно gmRc (обозначения см. на рис. 17.15), где дт-крутизна МОПТ в области низких частот. ПУ на основе МОПТ могут использоваться для согласования с приемниками с импедансами (или нагрузочными сопротивлениями Rl) вплоть до 10й Ом.
схемы может быть рассчитан посхемы может быть рассчитан поНаиболее часто МОПТ включаются по схеме истокового повторителя, пример которой приведен на рис. 17.16. Коэффициент передачи напряжения сигнала в этой схеме равен приблизительно R^Rj + д„ ’) (обозначения см. на рис. 17.16), т.е. меньше единицы. Выходное сопротивление приблизительно равно К//(Д+9т^Д Коэффициент шума формуле (17.64) при подстановке
схемы может быть рассчитан по
схемы может быть рассчитан по
соответствующего значения Ах.
Смещение приемника
17.3.4. Сравнение транзисторов17.3.4. Сравнение транзисторов? Смещение о о Смещение,
17.3.4. Сравнение транзисторов
17.3.4. Сравнение транзисторов
Рис. 17.16. Усилитель на МОПТ, включенном по схеме истокового пов
торителя.
R, - нагрузочное сопротивление; R, сопротивление пов гори геля; Ах коэффициент усиления по напряжению усилителя; У,- МОПТ.
различных типов
Биполярные транзисторы и ПТУП. Биполярные транзисторы в качес!- ве основы ПУ обычно предпочтительнее тогда, когда требуется, чтобы входное сопротивление не превышало 500 Ом, так как в этом случае могут быть реализованы наименьшие значения коэффициента шума. Для минимизации коэффициента шума в ПУ, чье входное сопротивление не должно превышать 100 Ом, часто используют параллельное включение нескольких биполярных транзисторов.
В диапазоне входных’сопротивлений ПУ 500 Ом ... 10 кОм как биполярные транзисторы, так и ПТУП позволяют получить оптимальные значения коэффициента шума. Выбор типа транзистора в этом случае обычно определяется требованиями к системе (например, к коэффициенту усиления, полосе пропускания, рабочим диапазонам токов и напряжений, возможности создания эффективного заземления или вывода на общую шину питания с низким уровнем помех) либо просто предпочтением разработчика схемы.
Обычно ПТУП обеспечивают меньшие значения коэффициента шу-
Таблица 17.2. Характеристики полевых транзисторов
ХарактеристикаТип транзистора
ПТУПМОПТ (ПТИЗ)
Шум затвора
Дробовый шум утечки рп-пе- рехода затвора
Лишены дробового шума затвора
Шум канала
Низкий уровень 1//-шума из-
Поверхностный канал вы
за глубинного расположения
зывает 1//-шум. Шум мо
канала
жет быть уменьшен ионной имплантацией-заглуб
Шум подложки
Затвор является подложкой.
лением канала
Наблюдалось проникнове
Обычно наблюдается некото
ние до 80% шума подложки
Крутизна
рая модуляция канала шумом подложки
в канал
Крутизна температурной зави
Минимальная скорость спа
симости дт от тока стока ниже.
да дт выше, чем в ПТУП**
чем в МОПТ
Емкость затвора
Изменяется со смещением на
Относительно постоянна с
затворе
изменением смещения на
Ток утечки затво
Ток утечки обратносмещенно-
затворе
Утечка через слой диэлект
ра
го рл-перехода обычно на по
рика на порядок величины
рядок величины больше тока
меньше, чем в ПТУП
Влияние температуры
Плотность размещения
утечки в МОПТ (или ПТИЗ) При температуре 30 К величина дж снижается более чем на 10% ее значения при комнатной температуре
Достижимое число приборов в
При температуре 4 К сохраняется крутизна не менее 50% ее значения при комнатной температуре*' Достижимое число прибо
одном кристалле меньше, чем для МОПТ
ров в одном кристалле больше, чем для сопоста
Чувствительность
вимых ПТУП
К воздействию ста
Подвержены явлениям про
тического электри
боя под воздействием ста
чества
тического электричества
Относится только X МОПТ.
Ма чем биполярные транзисторы, при входных сопротивлениях выше 10 кОм. Хорошими характеристиками обладают малошумящие усилители, в первом каскаде которых используется ПТУП, а в следующих - биполярные транзисторы.
Биполярные транзисторы работоспособны в диапазоне температур ? 18-398 К. ПТУП применялись при температурах ниже 4 К; их не Рекомендуется использовать при температурах выше 373 К.
ПТУП и МОПТ. Основное отличие ПТУП от МОПТ (или ПТИЗ) состоит в том, что в ПТУП используется обратносмещенный переход ДЛЯ изоляции затвора от подложки, истока и стока, тогда как в МОПТ (ПТИЗ) для этой цели применяется слой диэлектрика. Исток и сток в МОПТ (ПТИЗ) изолируются от подложки обратносмешенными рп-пе- оеходами. Диэлектриком в МОПТ служит окисел полупроводника, из которого изготовлена подложка; в ПТИЗ им может быть другой
Таблица 17.3. Характеристики схем включения транзисторов
Тип транзисторов
Схема включс-Макси-Достигнутый уро- Рабочая темпе- Примечание
1ШЯмальное вень напряжения ратура. К
входное шума, приведен-
сопротнв- НОТО ко входу ление, Ом (с.к.з)*’. нВ
1 кГц 100 кГц
Биполярные
С общим20-ю30,50.25220...398
эмиттером С общим коллектором (эмиттерный5220... 398
повторитель) 20 100./220.-398
С общей ба- 10
зой1530...398Кремниевые
ПТУП
С общим ис- Ю-,0•приборы
током С общим стоком (потоковый повтори-530...398"
тель)10’Входное
МОПТ (ПТИЗ)
С общим ис-а 398сопротив-
токомЮ1212-°4-°4 -ление ука-
С общим сто-зано для
ком (истоко-охлаждас-
вый повтори-404...398мых при-
тель)Юборов
*’ С.к.з.-среднеквадратичное значение.
изолирующий материал. Характеристики ПТУП и МОПТ приведены в табл. 17.2. С помощью табл. 17.3 можно быстро выбрать подходящую транзисторную схему применительно к решаемой задаче.
ОПЕРАЦИОННЫЕ УСИЛИТЕЛИ [16]
Теоретические сведения
Операционными усилителями (ОУ) называют усилители, предназначенные для выполнения различных математических операций при помощи цепей обратной связи. Примеры таких операций - усиление напряжения и тока, алгебраическое суммирование, дифференцирование и интегрирование по времени, частотная фильтрация, частотная компенсация и логарифмирование.
Наиболее гибкими в функциональном отношении являются ОУ с дифференциальным входом. Эти усилители могут использоваться как в режиме преобразования тока в напряжение (инвертирующее включение), так и в режиме усиления напряжения (неинвертирующее включение). Основная схема включения ОУ в неинвертирующем режиме (усилитель напряжения) представлена на рис. 17.17. С использованием обозначений на рис. 17.17 можно получить следующие соотношения ^ ^=^Л(17.65)
5 = ^О - ^^rrf/(2/6 + Zref).(17.66)
Объединение выражений (17.65) и (17.66) дает следующую формулу для ОУ с обратной связью:
^ = К/К. - (z„, + Z/t) / [Z„, + (Z/6 + Z,„y <],(17.67)
Рис. 17.17. Неинвертирующее включение ОУ (режим усилителя напряжения).
^„-напряжение входного сигнала. ^-разность потенциалов между входами ОУ (сигнал разбаланса); Ао- коэффициент усиления по напряжению ОУ без обратной связи; V,-напряжение выходного сигнала; Z/6-импеданс цепи обратной связи; Z -опорный импеданс.
бесконечно ^Т°^^^™ ^Hoe сопротивление ОУ
Рис. 17.18. Инвертирующее включение ОУ (режим преобразования тока в напряжение).
Цо- напряжение входного сигнала; ^ разность потенциалов между входами ОУ (сигнал разбаланса); Л -коэффициент усиления ОУ без обратной связи; Vo напряжение выходного сигнала; Zs-импеданс источника сигнала; Z/b-импеданс цепи обратной связи.
где /^-коэффициент усиления по напряжению ОУ с обратной связью. Формулу (17.67) часто записывают в виде
Л=К/К„ = (1/Р)/(1 + 1/ЛЗ).(17.68)
где P = (l+Z/b/Z,.,)"*■<17'69)
Схема на рис. 17.17 чаще всего используется в тех случаях, когда необходимо высокое входное и низкое выходное сопротивления усилителя при некотором усилении напряжения сигнала без инверсии его фазы.
На рис. 17.18 изображена другая основная схема включения ОУ, обеспечивающая преобразование тока в напряжение (инвертирующее включение). С использованием обозначений на рис. 17.18 можно полу-
чить соотношения
^ = АД,
kV.m-^IZs=-<Vo-V^IZJb.
(17.70)(17-71)(17.70)(17-71)Объединяя эти соотношения, находим для выражения коэффициен усиления Ас ОУ с обратной связью:
(17.70)
(17-71)
(17.70)
(17-71)
А =Л=AOZS
с Цп Zs (1 + A0)Zs-^Zf;
которое часто записывают следующим образом.
(17.72)(17.72)(17.73)(17.74)(17.73)(17.74)^ = (1 - 1/р)/(1 + 1/л.рл гдер = [1 +Z/6/zs]-i.
(17.72)
(17.72)
(17.73)
(17.74)
(17.73)
(17.74)
Схема на рис. 17.18 чаще всего используется в тех случаях, когда необходимо большое усиление при заданном сопротивлении источника сигнала, низкое выходное сопротивление и инвертирование фазы выходного сигнала.
Характеристики
Частотная характеристика коэффициента усиления ОУ без обратной связи может иметь один или несколько полюсов и возможно нулей. Однокаскадный усилитель обычно характеризуется одним полюсом, лежащим левее частоты отсечки транзистора, на котором построен этот каскад. Комплексный коэффициент передачи усилителя, имеющего как функция частоты один действительный полюс, есть
(17.75)(17.75)Ао^ = Лг/О + Т„5).
(17.75)
(17.75)
где Л,-значение коэффициента усиления усилителя без обратной связи на низкой частоте (В/В или А/А); т0 - постоянная времени, определяющая положение единственного полюса (с); 5-лапласова переменная (с-1). Диаграмма Боде для такого усилителя показана на рис. 17.19. Любой такой усилитель безусловно устойчив, если в цепи обратной связи используются чисто резистивные элементы, т. е. максимальный фазовый сдвиг выходного сигнала относительно входного составляет 90е. а максимальная крутизна спада АЧХ-20 дБ/декада (6 дБ/октава).
В большинстве ОУ используется несколько каскадов усиления для получения необходимых значении коэффициента усиления и возможности реализации желаемых функциональных преобразований. Комплексный коэффициент передачи как функция частоты для усилителя без обратной связи, имеющего три полюса и один нуль, имеет вид
(17.76)(17.76)Ао^™Ао1^ +5Т0)/[(1 +5Tj)(l + JT2)(1 +5Т3)].
(17.76)
(17.76)
Здесь ^. т2, т3 - постоянные времени полюсов (с); т„-постоянная времени нуля (с). Диаграмма Боде для такого усилителя изображена на рис. 17.20. Усилитель может самовозбуждаться при усилениях менее 82 дБ и использовании резистивных элементов в цепи обратной связи. В связи с этим желательно ввести частотную коррекцию, с тем чтобы изменить положение нуля и полюсов. Полюсы и нули при этом располагаются на частотах, для которых равны действительная и мнимая части. Влияние полюса состоит в увеличении крутизны спада усиления с ростом
Рис. 17.19. Частотная зависимость коэффициента усиления ОУ без обратной связи при наличии одного полюса в передаточной характеристике, лежащего на действительной оси. *
Ло1значение коэффициента усиления на низкой частоте.
Рис. 17.20. Частотная зависимость коэффициента усиления ОУ, не охваченного обратной связью, без частотной коррекции (сплошная линия) и с частотной коррекцией (штри* ховая линия).
Передаточная характеристика ОУ имеет три полюса, лежащие на действительной оси, и один нуль. Постоянные времени полюсов (с): т, = 1,6 10"\ т, = 1,6-10 *. т3 = 1,6-10'6. Постоянная времени нуля т, = 1,6-10'5 с.
частоты на 20 дБ на декаду, а влияние нуля - в увеличении крутизны нарастания усиления с частотой на 20 дБ на декаду. Частотная зависимость модуля коэффициента усиления для усилителя с коррекцией может выглядеть так, как изображено на рис. 17.20 штриховой линией.
Величина р, характеризующая ОУ с обратной связью [см. уравнение (17.68)], может быть комплексной, если в цепи обратной связи преобладают реактивные элементы. Такая ситуация часто встречается в полосовых усилителях, активных фильтрах на ОУ, устройствах интегрирования и дифференцирования сигналов по времени, устройствах частотной коррекции.
При проектировании таких устройств необходим анализ передаточных характеристик и устойчивости для обеспечения стабильной работы при охвате ОУ обратной связью. Соответствующие методы рассмотрены в работе [17].
ПРЕДУСИЛИТЕЛИ ФОТОСИГНАЛА НА ОСНОВЕ ОУ
Для построения ПУ фотосигнала используются обе рассмотренные выше основные схемы включения ОУ: неинвертирующая (усилитель напряжения) и инвертирующая (преобразователь тока в напряжение).
Неинвертирующее включение (усилитель напряжения)
Схема ПУ для этого случая изображена на рис(17.69)
ней обозначения используются в формулах. Из
получим
Я2(1 +>/?iG) (17.77)
Р= [1 + Z/t,/Zrcf] ^^ + jtoR^ с^ + ^t(i + у(оЯ2С2)
rl Смещение приемника р-а—о (при необходимости)rl Смещение приемника р-а—о (при необходимости)Рис. 17.21. Схема усилителя фото- сигиала на основе ОУ в режиме усилителя напряжения (неинвертирующее включение).
rl Смещение приемника р-а—о (при необходимости)
rl Смещение приемника р-а—о (при необходимости)
Rl -сопротивление нагрузки; ^„ входной сигнал; С3-сумма входной емкости ОУ и паразитной емкости; С,-емкость, шунтирующая опорный резистор R- Ао- коэффициент усиления ОУ без обратной связи; У,-выходной сигнал ОУ; С,-емкость, шунтирующая резистор обратной связи Rt; R2~ опорное сопротивление.
Здесь С,, С2-емкости. включенные параллельно опорному резистору и резистору обратной связи соответственно; С3-сумма входной емкости ОУ и паразитной емкости. С помощью выражений (17.77) н (17.68) получим формулу
Лс —Лс —К 1
Лс —
Лс —
^[i + i/ЛЗГ1- in г
(17.78)(17.78) 1 -H<aRp(Cx 4- С2)
(17.78)
(17.78)
R,0 +>R1C1)/R1 + [1 +>Rp(Cl + С2)]/Л„’
где Rp = RXR2/(RX + R2\ j = ^/— 1-мнимая единица, co-угловая частота (рад/с). Диаграмма Боде для ОУ с характеристикой (17.78) показана на рис. 17.22. Предполагается, что коэффициент усиления ОУ без обратной связи Ао равен
AO = AJ(\ + >т0).(17.79)
Здесь Ао-коэффициент усиления ОУ без обратной связи на низкой частоте (В/В или А/А); то-постоянная времени (с). При о>Лр(С1 + + С2)«1 и u>Rx Сх « 1 (первый частотный диапазон) коэффициент усиления ОУ с обратной связью можно найти из (17.78), полагая со = 0: ^i = (^i + ^2)/№ + (Л, + Л2)МД.(17.80)
При toRp^Cv + С2) « 1 и y>Rx Сх » I (второй частотный диапазон) коэффициент усиления находится из (17.78) приравниванием числителя к единице и заменой члена (1 + ./(0/^ CJ на jwRx Сх, откуда
^,2 = ^^^ + l^J-1.(17.81)
При юРдСл + С2)» 1, toRt С, » 1 (третий частотный диапазон) коэффициент усиления ОУ с обратной связью равен
АС1 = «?! 4- С2)/[С\ + (С, + С2)/АД.(17.82)
ПрИ ^ot^tox° < ^i + Сг)[Сх (четвертый частотный диапазон) эффициенты усиления ОУ с обратной связью и без нее совпадают
(17.83)(17.83)и приблизительно следуют зависимости А^ = Ао1!)^то.
(17.83)
(17.83)
Входное напряжение при неинвертирующем включении было при выводе формул для коэффициента усиления определено как напряжение сигнала на входе ОУ. Таким образом, определяемый выражением (17.78) коэффициент усиления ОУ с обратной связью не зависит от параметров приемника, подключаемого к входу ОУ, сопротивления нагрузки R, и паразитной емкости С3, подключаемой параллельно ему. Однако эти параметры оказывают влияние на частотную зависимость отклика системы приемник-предусилитель. Диаграмма Боде для ОУ с обратной связью изображена на рис. 17.22 при следующих значениях параметров: Ао = 56 дБ, т0 = 1,06-10"4 с, Я^Ю’Ом, Ct = 1,6-10"9 Ф. Кг = = 103 Ом, С2 = 7,5-КГ12 Ф, R, = 103 Ом, = 106 Ом, С3 = 12,5 х х10“12Ф. (17.84)
Постоянная времени системы приемник-предусилитель (в предположении, что время жизни носителей заряда не ограничивает полосу приемника) равна
^^•^^ 1.136 10"6 с.(17.85)
^L + ^Det
При этом коэффициент передачи на частоте 1,4-105 Гц падает на 3 дБ по сравнению с низкочастотным.
Рис. 17.22. Диаграмма Боде для усилителя со схемой, изображенном на рис. 17.21 (иеинвертирующее включение).Ао1 = 56 дБ, т.= 1.06-10'* с.Рис. 17.22. Диаграмма Боде для усилителя со схемой, изображенном на рис. 17.21 (иеинвертирующее включение).Ао1 = 56 дБ, т.= 1.06-10'* с.
Рис. 17.22. Диаграмма Боде для усилителя со схемой, изображенном на рис. 17.21 (иеинвертирующее включение).
Ао1 = 56 дБ, т.= 1.06-10'* с.
Рис. 17.22. Диаграмма Боде для усилителя со схемой, изображенном на рис. 17.21 (иеинвертирующее включение).
Ао1 = 56 дБ, т.= 1.06-10'* с.
Инвертирующее включение (преобразователь тока в напряжение)
Схема включения ОУ в этом режиме изображена на рис. 17.23- приведенные на ней обозначения используются в формулах. С помощью (17.74) получаем выражение
ZdQ + Ja)Rl CJ
₽ = 1 + ZjJZs “ ZD(1 +jwRl С,) + R, (1 +>ZD CO*°?'86)
где Z/e = ^/(1+7toR,C1). ZS = ZD/(1 +;u)ZDC2).(17.87), (17.88)
В данном случае в выражения для р и коэффициента усиления ОУ с обратной связью явно входит импеданс приемника. Эквивалентная схема приемника изображена на рис. 17.24. Для приемников, чье контактное сопротивление R^ много меньше сопротивления фоточувстви- тельного элемента Rd + Rmb, схема на рис. 17.24 приводится к более простому виду (рис. 17.25), где CDe, = CDi + Cshun(, р RshunARd* Rmb)
^"r•(1W>
'Shunt + Kd + Kmb
^Dct и ^-соответственно ток шума приемника и ток фотосигнала. Следовательно,
2d=^dc1/(I+7<o^d=1CDci). (17.90)
Выражение для коэффициента усиления ОУ через импедансы приемника и нагрузки в цепи обратной связи, когда ОУ охвачен обратной связью в режиме трансформации тока в напряжение, получается из формулы
R1
ПриемникZDПриемникZDТС2ТС2С1 V1 inС1 V1 in
ПриемникZD
ПриемникZD
ТС2
ТС2
С1 V
1 in
С1 V
1 in
Напряжение смешения (при необходимости)
^-23. Схема усилителя иа основе ОУ в режиме преобразования фототока в напряжение (инвертирующее включение).
шя (^га™™?^ V6^™0” Св«и- С, - емкость, шунтирующая Rx ; С2- суммар- ОУ емкость, шунтирующая вход ПУ; А,-коэффициент усиления сигнал ОУ^ ”И' **~выходнои сигнал ПУ; 2д-импеданс приемника; У1П-входной
Рис. 17.24. Эквивалентная схема приемника излучения.Рис. 17.24. Эквивалентная схема приемника излучения.ГЕ-ток избыточного шума; 7qr —ток GR-шума; /,-ток фотосигнала; R, часть сопротивления фоточувствительного элемента, не зависящая от величины протекающего тока; R^- часть сопротивления фоточувствительного элемента, зависящая от величины протекающего тока (модуляционное сопротивление); CDl-емкость приемника; Рге напряжение теплового шума контакта; /?„-сопротивление контакта; /?ihunl - шунтирующее сопротивление утечки; С^-шунтирующая емкость контакта.ГЕ-ток избыточного шума; 7qr —ток GR-шума; /,-ток фотосигнала; R, часть сопротивления фоточувствительного элемента, не зависящая от величины протекающего тока; R^- часть сопротивления фоточувствительного элемента, зависящая от величины протекающего тока (модуляционное сопротивление); CDl-емкость приемника; Рге напряжение теплового шума контакта; /?„-сопротивление контакта; /?ihunl - шунтирующее сопротивление утечки; С^-шунтирующая емкость контакта.
Рис. 17.24. Эквивалентная схема приемника излучения.
Рис. 17.24. Эквивалентная схема приемника излучения.
ГЕ-ток избыточного шума; 7qr —ток GR-шума; /,-ток фотосигнала; R, часть сопротивления фоточувствительного элемента, не зависящая от величины протекающего тока; R^- часть сопротивления фоточувствительного элемента, зависящая от величины протекающего тока (модуляционное сопротивление); CDl-емкость приемника; Рге напряжение теплового шума контакта; /?„-сопротивление контакта; /?ihunl - шунтирующее сопротивление утечки; С^-шунтирующая емкость контакта.
ГЕ-ток избыточного шума; 7qr —ток GR-шума; /,-ток фотосигнала; R, часть сопротивления фоточувствительного элемента, не зависящая от величины протекающего тока; R^- часть сопротивления фоточувствительного элемента, зависящая от величины протекающего тока (модуляционное сопротивление); CDl-емкость приемника; Рге напряжение теплового шума контакта; /?„-сопротивление контакта; /?ihunl - шунтирующее сопротивление утечки; С^-шунтирующая емкость контакта.
и имеет вид
(17.91) можно(17.92)(17.93)(17.91) можно(17.92)(17.93)А _ К _ _ ^/ьАо в c"vin" ZD(1+XO)ZD + Z;;
(17.91) можно
(17.92)
(17.93)
(17.91) можно
(17.92)
(17.93)
где Zfb = Rx/(1 + усо Л, С,). Считая Ао » I (т.е. Ао + 1 % Ао), переписать это выражение в виде
А =^"^1 [1 + У^РсЛО)» + G)] Чп KDct(l *V jtoRx С,) + Rv [1 + y(n/?Del(CDcl + C2)]/Ao
гДе K„ = (^p + rDel)ZSi,
Zsi — ^pci/[l + У® ^pel (CDcl + C2)].
Следовательно, коэффициент передачи схемы с обратной связью, выраженный как крутизна преобразования тока на входе в напряжение на выходе, равен
A V”
*i*i“ Up + IoJ
*i
*i
(17.94)
(1 -V jtoRx Сх) — Kj [1 + У® ^Del (CDcl + С2)]/ ^0^DCt
Диаграмма Боде для ОУ с распределением полюсов и нулей, заданных выражением (17.92), приведена на рис. 17.26. Коэффициент усиления ОУ без обратной связи предполагается равным
Ао = AOJ<\ A-st^.(17.95)
Здесь .у-лапласова переменная (с*1); Ао1 - коэффициент усиления на
Рис. 17.25. Упрощенная эквивалентная схема приемника излучения.
^Dti- сопротивление детектора; См-эквивалентная емкость детектора.
низкой частоте (В/В или А/А); то-постоянная времени (с). В случае 1 (рис. 17.26) коэффициент усиления Ас достигает значения коэффициента усиления ОУ без обратной связи прежде, чем проявится влияние цепи Rx С\ обратной связи: до этого момента частотная зависимость комплексного коэффициента усиления описывается формулой
^^^{[^(См + СЛ]-1 +г,/Л„}. (17.96)
^с - ^1 (^-Dct + С2)$-При wR^AC^ + С2)» 1 и &RX Сх » 1 получим А -(C^. + CJ/CVВ случае AjTes« CJ^C^ 4- С2) имеем At = AoJxos = Ао.^с - ^1 (^-Dct + С2)$-При wR^AC^ + С2)» 1 и &RX Сх » 1 получим А -(C^. + CJ/CVВ случае AjTes« CJ^C^ 4- С2) имеем At = AoJxos = Ао.(17.97)(17.97)(17.98)(17.98)(17.99)(17.99)В случае 2 выражение для Ас вначале также имеет характер функции передачи, имеющей единственный нуль. При co/?Dcl(CDcl + С2)» 1 и mRx Сх « 1 имеем
^с - ^1 (^-Dct + С2)$-
При wR^AC^ + С2)» 1 и &RX Сх » 1 получим А -(C^. + CJ/CV
В случае AjTes« CJ^C^ 4- С2) имеем At = AoJxos = Ао.
^с - ^1 (^-Dct + С2)$-
При wR^AC^ + С2)» 1 и &RX Сх » 1 получим А -(C^. + CJ/CV
В случае AjTes« CJ^C^ 4- С2) имеем At = AoJxos = Ао.
(17.97)
(17.97)
(17.98)
(17.98)
(17.99)
(17.99)
SSСлучай 1Случай 1АпАпАА1010гл^с.гл^с.Ас)Ас)Случай 2Случай 2ООL-LUubtL-LUubt6050140302060501403020АсАск)к)—I-LJ-LUU—I-LJ-LUU101101
S
S
Случай 1
Случай 1
Ап
Ап
А
А
10
10
гл^с.
гл^с.
Ас)
Ас)
Случай 2
Случай 2
О
О
L-LUubt
L-LUubt
60
501
40
30
20
60
501
40
30
20
Ас
Ас
к)
к)
—I-LJ-LUU
—I-LJ-LUU
101
101
I it I
ш пш/О6ш пш/О6Юг 103 ТО* 10sЧастота, Гц
ш пш
/О6
ш пш
/О6
Рис. 17.26. Диаграмма Боде для ОУ с обратной связью при инвертирующем включении.
Л.-коэффициент усиления ОУ без обратной связи; Ло1-значение А» на низкой частоте;
Л,-коэффициент усиления ОУ с обратной связью; Лн-значение А, на низкой частоте.
Рис. 17.27. Диаграмма Боде для ОУ при инвертирующем включении по схеме, приведенной на рис. 17.23.
Частотные зависимости отклика системы приемник - предусилитель изображены на рис. 17.27 для случаев 1 и 2.
Диаграмма Боде для ОУ с обратной связью в режиме преобразования тока в напряжение показана на рис. 17.26 при следующих значениях параметров: то = 1,06-10~4 с, R{ = 10 Ом,С, = 3-10-12 Ф (случай 2), С, <2.2-ИГ13 Ф (случай 1), ЯВс1 = 1,6-108 Ом, CDcl = 2,5-10"12 Ф, Сг = 10"11 Ф.
СИНХРОННОЕ ДЕТЕКТИРОВАНИЕ
В радиометрических устройствах часто используются модуляторы, периодически изменяющие степень пропускания излучения оптической системой. При использовании модулятора обработку сигнала приемника электронной схемой можно проводить в высокочастотной области, где приемник и усилитель обладают лучшими характеристиками. Частота амплитудной модуляции сигнала определяется частотой прерывания модулятором потока излучения. Если размеры и форма лопастей модулятора выбраны так, чтобы получить гармоническую модуляцию, на выходе приемника излучения будет действовать сигнал
К = (1/2) ^(Osino/.(17.100)
Здесь |/0(0-полный размах колебаний сигнала (В); ф-угловая частота модуляции (рад/с). Синхронный детектор по существу представляет собой узкополосную систему, в которой информационный сигнал смешивается с опорным сигналом той же частоты, а затем демодулируется. Блок-схема синхронного детектора показана на рис. 17.28. На выходе приемника информационного канала действует слабый сигнал, который затем усиливается и перемножается с опорным сигналом. Опорный сигнал вырабатывается магнитным или фотоэлектрическим прибором и синхронизируется с модулятором. Поэтому частоты и фазы опорного и информационного сигналов совпадают. На выходе приемника опорного сигнала имеем
KW = K„sincDr.(17.101)
Рис. 17.28. Блок-схема синхронного . Произведением двух указанных вующий на выходе умножителя:
K,(0 = ^^(0^sin2<o/, или Ут(/) = BV^t) Vro(cos 2(0/ -
детектора.
выше сигналов является сигнал, дейст-
1).
(17.102)
(17.103)
Ширина полосы частот пропускания фильтра выбирается много меньшей, чем 2(0, чтобы исключить проникновение в тракт нежелательных частотных составляющих. На выходе фильтра получается сигнал
BV
(17.104)(17.104)V^ = ^VWMY
(17.104)
(17.104)
°6Разом> искомый слабый информационный сигнал восстанавливается на выходе.
Иб?ЛЬ^ °!- СХ№ТВО между синхронным детектированием
сигнал '°бРаб0ТК°й сигналов. Степень улучшения отношения
частоты 0СТИГа5М0Г0 ПРИ синхронном детектировании, зависит от а также от 1шФ°Рмационного сигнала, формы опорного сигнала, топ. ПпетпочягЛаЛЬН°И плотности шума, воздействующего на корреля- гармоническими и что ин^°Рмащюн«ый и опорный сигналы являются полосе частот Н3 систему Действует «белый» шум в некоторой о™^^^ОСШ как
«рилыра к исш на входе предусилителя.
ОБ ИСТОЧНИКЕ ПИТАНИЯ
^ень низок, шуТсозХ^на ВХОД пРеДУсилителя»
много меньшим шума действ ТОЧНИКОМ питания ПУ, следует делать ПУ необходимо чтобы шумУ ЩеГ° Н3 ВХ°Де ПУ' ^ля большинства клемме питания ПУ не превышали "ооТкВ.01 ИСТ°ЧНИКа ПИТаНИЯ Н3
РЕКОМЕНДАЦИИ ПО ЗАЗЕМЛЕНИЮ
При неправильном заземлении предусилители могут самовозбуж- даться, в них могут возникать нелинейные искажения и другие нежелательные эффекты. Поэтому желательно придерживаться следующих рекомендаций по заземлению.
Схема усилителя заземляется на шасси в месте низшего уровня сигнала.
Не допускается образование замкнутых контуров заземления. Следует избегать заземления экранов на обоих концах. Возвратный («холодный») провод источника питания подключается к усилителю в месте низшего уровня сигнала.
Если каскады усиления имеют коэффициент усиления 100 и более, используются отдельные шины заземления для каждого такого каскада вместо общей шины. Эти шины соединяются друг с другом в месте низшего уровня сигнала. (Если это невозможно сделать с шиной заземления каскада с наибольшим усилением, для него необходимо применить отдельный «холодный» провод, идущий от источника питания.)
Для заземления применяются провода большого диаметра.
Шины заземления устройств с низким и высоким уровнем сигнала выполняются отдельно. При необходимости шина заземления блоков с высоким уровнем сигнала экранируется, и экран заземляется в месте низшего уровня сигнала.
Надо не допускать протекания токов по экранирующим проводам, заземляя последние в месте низшего уровня сигнала.
КАБЕЛИ С НИЗКИМ УРОВНЕМ ШУМА
При разработке малошумящих предусилителей серьезную проблему представляют шумы звуковых частот, возникающие в коаксиальных кабелях вследствие микрофонного эффекта из-за сотрясений, ударов, вибраций. Значительный вклад в микрофонный шум вносит трибозлект- рический эффект (разделение электрических зарядов при трении тел друг о друга), возникающий при вибрациях. Для снижения трибоэлектрической составляющей микрофонного эффекта можно применять экранирование всех проводников, по которым передается слабый сигнал, от наводимых трибоэлектричеством полей или предотвратить появление таких полей, применяя специальные кабели с низким уровнем шума [18].
ДОПОЛНЕНИЕ1’
Список литературы, на которую даются ссылки, [1, 2, 3,..,], приведен в конце дополнения. При ссылках на литературу основного текста номер главы справочника указывается после номера ссылки.
К гл. 12, 13, 17
Приемники инфракрасного излучения-это та область, которая продолжает интенсивно развиваться, опираясь на общие достижения микроэлектроники. При этом наблюдается тенденция объединения в едином устройстве собственно приемника и схемы обработки сигнала, в частности с использованием ПЗС-структур. Поэтому прежде чем перейти к детальному и непосредственно связанному с содержанием отдельных разделов гл. 12, 14 и 17 основного текста рассмотрению наиболее важных результатов, полученных при разработке приемников излучения за последние 10-15 лет, полезно дать общую характеристику современного состояния разработок, рассмотрев вначале процесс их создания в историческом аспекте. Удобную возможность для этого предоставляет написанная на высоком уровне обзорная статья [1]. Статья посвящена в основном приемникам в системах, создающих изображение, и хотя это направление далеко не исчерпывает главнейшие области применения ИК-приемников, трудно переоценить важность именно этого направления для ИК-техники и оптико-электронного приборостроения. Поэтому ниже приводится подробное изложение статьи [1].
. п^^"^отопРиемники начали разрабатываться с конца 1930-х-начала 1940-х гг. Первым практически использовавшимся ИК-приемником был фоторезистор PbS, разработанный в Германии перед 2-й мировой войной и применявшийся во время войны. В США в этот период основные усилия были направлены на разработку приемников из ульфида таллия. Позднее предпочтение было отдано PbS, благодаря и<^-гЛ^ЧШИМ хаРактеРисгикам и более длинноволновой чувствитель-
В конце 1940-х - начале 1950-х гг. был разработан ряд новых
11 Составлено Н.В. Васильченко.
материалов для приема ИК-излучения. Такие материалы, как PbSe, РЬТе и InSb, позволили продвинуться в более длинноволновую область, соответствующую окну прозрачности атмосферы 3-5 мкм. В этот же период на основе германия, легированного медью, цинком и золотом, удалось создать фоторезисторы с примесной фотопроводимостью для дальнего окна прозрачности атмосферы 8-14 мкм и продвинуться в очень далекий диапазон ИК-излучения от 14 мкм и вплоть до 30 мкм. В конце 1950-х гг. начали появляться первые разработки на основе тоойных соединений. Наиболее широкое применение из материалов, позволяющих варьировать диапазон спектральной чувствительности путем изменения их состава, нашел появившийся в самом конце 1950-х гг [2] материал кадмий-ртуть теллур (Krl).
Фотолитография, ставшая доступной с начала 1960-х гг., п0”0™™ приступить к изготовлению многоэлементных фотоприемников. Технология линейчатых многоэлементных приемников бь™ применена для создания фоточувствительных линеек на PbS, PbSe и InSb. Была на шта оззпчботка фотовольтаических (фотодиодных, ФД) приемников на мо- нокристаллах^^ Появившиеся в начале 1960-х гг. фотоприемники на "сном'германии, легированном ртутью [3] — или, = первые системы переднего обзора (FLIR) в дальней Преимуществом приемников Ge:Hg является соответствие их спек
охлаждения (до 25)■собственной фотопроводимостью -
линейки из фоторезисторов КРТ
так называемое первое поколение, по_ РИК-диапа-
1970-е годы характеризуются бурным развитие
поколения; основным приемником “Н^И”®^Л“3^ десятками Количество произведенных во всем Р птл-их технологий прием- тысяч. В то же время велись разработки и
ников. Во многих применениях, связаннпримесный кремний,
зоном. на смену легированномуИК-излучения в далеком
Кремний обеспечивает большееменьшей диэлектрической
и очень далеком ИК-диапазонах ° Рости применять подходящие проницаемости и более широкой птпакоткн микросхем на кремнии легирующие примеси. Большой опыт отработки«Весьма
также дает преимущество при “’°ва^^^^объединить в
привлекательной является, КР°“О ^ мультиплексор. Однако едином кремниевом чипе приемную часть и муль
в ряде применений германии сохранил свои позиции в очень далекой ИК-обчасти в настоящее время известны германиевые фоторезисторы с длинноволновой границей 200 мкм (например, при легировании галлием [4]).
Следует отметить, что в период с конца 1960-х до середины 1970-х гг. в качестве серьезной альтернативы ФР КРТ разрабатывались фотовольтаические приемники PbSnTe (свинец- олово-теллур, СОТ). Однако эти разработки в конце 1970-х гг. в США были прекращены из-за следующих двух недостатков халькогенидов. Во-первых, ввиду высокой диэлектрической проницаемости слишком велика диодная емкость, что ограничивает частотные характеристики приемников. Для разрабатывавшихся в то время сканирующих ИК-систем с линейчатыми фотоприемниками это был существенный недостаток. Во-вторых, у СОТ и аналогичных соединений весьма высок тепловой коэффициент расширения. что ограничивает их применение в гибридных конструкциях с кремниевыми мультиплексорами. Нужно отметить, что сегодня, когда начинают интенсивно разрабатываться двумерные смотрящие матрицы, первый недостаток может оказаться менее существенным. Открывающиеся сегодня возможности выращивать рассматриваемые фоточувст- вительные материалы на различных подложках, в том числе на кремнии, позволяют, в принципе, устранить и второй недостаток. Однако в настоящее время в США не ведется разработок с многоэлементными фото- чувствительными структурами на СОТ. В Европе некоторые исследователи продолжают работы по многоэлементным гетероэпитаксиаль- ным узкозонным фоточувствительным структурам из халькогенидов свинца на кремнии, и в этом направлении достигнут определенный прогресс [5].
В фоточувствительных линейках первого поколения охлаждаемые ФЧЭ соединялись с предусилителями, работающими при комнатной температуре. Выводы из дьюара шли к каждому элементу, что ограничило число элементов (не более 200). Изобретение в Англии в начале 1980-х гг. приемников SPRITE и их широкое распространение (были изготовлены тысячи экземпляров) стало безусловно важным шагом вперед, однако число элементов в ряду, работающих в приемниках этого типа, с линиями временной задержки и накопления (ВЗН), ограничивается в фотоприемниках SPRITE числом 10. Поэтому автор обзора [1] называет эти устройства приемниками «полуторного» поколения, подчеркивая, что они являются лишь ступенькой при переходе от первого поколения (линейки) ко второму (фокальные матрицы).
Изобретение в конце 1960-х гг. приборов с зарядовой связью позволило создать многоэлементные приемники второго поколения, совмещенные в фокальной плоскости с аналоговыми схемами обработки сигнала, способными мультиплексировать (коммутировать) сигнал от очень большого числа элементов. Первые оценки выявили в качестве первых кандидатов для создания ИК-ПЗС-приемников фотодиодные
структуры InSb, PtSi, KPT и фоторезисторные структуры с высоким импедансом (например, приемники на основе PbS, PbSe и примесного кремния). Решающим здесь было то, что импеданс этих структур хорошо согласовался со входом считывающих мультиплексоров на полевых транзисторах. Из-за низкого импеданса ФР КРТ для этой цеди не годился.
В связи с этим все следующее десятилетие (1980-е гг.), включая конец 1970-х, прошло под знаком усилий разработать ФД КРТ. которые благодаря высокому внутреннему сопротивлению и малому потреблению мощности были бы пригодны для согласования со считывающими схемами в больших матрицах. Эти усилия увенчались созданием больших двумерных матриц, как линейной конфигурации с ВЗН (когда один из размеров матрицы много больше другого) для сканирующих систем, так и в форме квадрата для смотрящих систем. Первыми к середине 1970-х гг. были созданы монолитные кремниевые матрицы. Однако эта технология была вскоре оставлена, поскольку процесс изготовления интегральных схем приводил к деградации свойств приемника. В широко распространенном теперь монолитном приемнике на силициде платины (PtSi) эту проблему удалось решить, изготовляя приемную структуру после того, как построена интегральная схема считывания. Первые гибридные матрицы были созданы на InSb в 1978 г. (32 х 32 элементов). К настоящему времени образцы матрицы второго поколения с различными схемами построения изготовлены на ряде материалов: PbS, PbSe, InSb, PtSi и ФД КРТ.
До создания действующих фокальных матриц со времени изобретения ПЗС прошло примерно два десятилетия. Технология производства многоэлементных ИК-приемников излучения для тепловидения и тепло- пеленгации находится к настоящему времени на середине переходного пути от первого ко второму поколению приборов, т. е. оз линеек с отдельными ПУ для каждого ФЧЭ к фокальным матрицам. На небольшом числе образцов преимущества фокальных матриц уже убедительно продемонстрированы [6-8]. На повестке дня стоит задача Достижения воспроизводимости при выпуске достаточно большого числа дешевых приборов. В долгосрочной перспективе многоэлементные приемники, соединенные со схемами искусственного интеллекта, должны функционально приблизиться к сетчатке глаза-составляющей зрительного аппарата человека, совместно с мозгом решающего сложнейшие задачи.
Система характеристик ИК-приемников излучения
Согласно принятой в настоящее время терминологии ИК-область спектра, как уже указывалось, делится на ближнюю (1-3 мкм), среднюю (3-5 мкм), далекую (8-14 мкм) и очень далекую (14-30 мкм). Ра^ая температура ИК-приемника характеризуется четырьмя режимами, зии
(так называемая комнатная температура или яеохлаждаемые фото- приемники), 190 К (охлаждение с помощью четырехкаскадного ТЭО, фреона 13 или сухого льда), 80 К (охлаждение с помощью жидкого азота и холодильников на эффекте Джоуля-Томсона, а также однокаскадных газовых криогенных машин-ГКМ), 1,5—60 К (глубокое охлаждение с помощью двух- или трехкаскадных ГКМ, жидких водорода, неона или гелия). Характеристики ИК-приемников по этим двум параметрам приведены в следующей таблице:
Граничная длина волны различных фотоприемников (по 50%-ной чувствительности)
Температура, К
Приемник
300
190
80
1,5-60
RbS
3,0
3,3
3,6
RbSe
4.4
5,4
6.5
InSb
7.0
6,1
5,5
5,0
PtSi
—
—
4.8
ФД KPT
1-3
1-5
3,12
10-16
ФР KPT
1-11
3-11
5,25
12-25
Примесный Si
—
—
8-32
Примесный Ge
-
-
—
7-200
^э таблицы видно, что наиболее универсальным является приемник однако по совокупности характеристик и требований любой из указанных в таблице приемников может оказаться предпочтительным для конкретной задачи.
Как известно, важнейшим параметром фотоприемника, предназначенною для решения пороговых задач, а именно к таким задачам принадлежат тепловидение и теплопеленгация в военных применениях, Джонсоном в 1953 г. удельная обнаружительная . р ь ’ представляющая собой отношение сигнала к шуму на И приходящ?0 сигнала ^я приемника с единичной площадью ФЧЭ полось‘частот тРакта обработки сигнала. Теоретически фона и сигнала™/!пя А ° определяется флуктуациями числа фотонов говыми " ^ Фотодиода важным параметром, связанным с поро- дПриемников’ является также произведение R0A. где
сопротивление перехода (J//^"1 при нулевом ПроТзв^ФЧЭ Плеская или площадь перехода),
тодиода в отсутЛ Ределяет предел пороговой чувствительности фо- с формулойФотонных шумов фона и шумов 1//в соответствии
D* = 4qVR0Af-5 JIE^kT^,
постояннТяНТБоль^электрона, Ех-энергия фотона, к-
вообще говоря зависит пт ратура- Сдедует учитывать, что R<A измерения этого папам Фотонного потока, имевшегося во время рения этого параметра. Таким образом, при использовании фо-
Рис. Д.1. Равномерность чувствительности (усредненное среднеквадратичное отклонение в процентах) для различных ИК-фотоприемных структур.
Наклонными линиями показан предел, накладываемый достигнутой точностью контроля размеров (от 0,1 до 5 мкм) при изготовлении. /-pin ФД HgCdTe (длинноволновая ИК-область спектра); 2-njp ФД HgCdTe (средневолновая ИК-область спектра); 3-ФР HgCdTe (длинноволновая ИК-область спектра); 4- PbSe; 5- InSb; б-PbSe; 7 PbS; S кремниевые структуры для видимой области спектра.
тодиодов. особенно при низких уровнях фона или низких значениях R0A (например, из-за высокой рабочей температуры или очень большого Л), следует специально убедиться, что R0A достаточно велико и предельная обнаружительная способность определяется флуктуациями фотонов фона. Для наиболее часто используемой рабочей темп'Р^Р“ ИК-приемников (80 К) подстановка в вышеприведенную _формулу численных значений констант, ц = 0,8 и Т- 80 К дает Dx tR0A)0'5 (R0A выражается в единицах Ом см , Х-мкм).
Важнейший параметр многоэлементных Фоточ>встпнте^ тур - неравномерность. Обычно ее характеризуют среднекцые
отклонением чувствительности. На рис. Д.1 прсдс ■ ппиемников пределы неравномерности для различных многоэлементных приемников по данным SBRC и Hughes Technology Center диагональных» линиями показаны ограничения, «“^“““льных тистическими вариациями геометрических размернапример
ячеек, определяемыми технологией изготовления. Если, например^ площадь ячейки КГ4 см2, а точность контроля размеров 1 мкм то “ ем случае неравномерность не может быть меньше JM приблизительно 2%. В настоящее время для некоторыхРно
номерность будет ограничиваться ™™^ью конт^ фоточувс’тви. в других случаях решающими могут оккппоиессе. Путем
тельного материала или отклонения в технологибудущем
воздействия на оба этих фактора ^ь " равномерность структур, особенно для • усложнения процесса в системе можно в какой-то мере ослабить
обработки сигнала, но остаточная неравно Р * щ в систеМе. устранить, будет ограничивать отнош^ структур будет ограни-
Динамический диапазон многоэлем накопительного процесса, чиваться по верхнему пределу емко т функцией конфигурации которая в свою очередь является сложной ФУ^^^^мов и размера чувствительных ячеек, расстояния между ними Р
работы.
Конструкция, отработанность и стоимость мнюгоэлементных И К-фотоприемников
Конструктивные схемы построения многоэлементных ИК-фото- приемников можно вкратце охарактеризовать следующим образом Линейки чувствительных элементов приемников первого поколения обычно освещаются спереди, сигнал от каждого ФЧЭ выводится из дьюара отдельным проводником и подается на свой предусилитель Усиление., как правило, регулируется в схеме предусилителей.
Приемники второго поколения как с линейной, так и с двумерной топологией часто освещаются сзади через прозрачную подложку Отдельные ФЧЭ матрицы фотоприемника могут быть непосредственно электрически соединены с помощью индиевых столбиков с элементами матрицы обработки сигнала, обеспечивающей предусиление и мультиплексирование. Эта «прямая» гибридная схема может обеспечить соединение очень большого числа фоточувствительных ячеек со «своими» предусилителями, выстроенными в ряды и колонки мультиплексора. Например, построенная по этой схеме PtSi гибридная матрица оазличий t Х ЭЛеМентов ^] Надежность такой схемы зависит от Различил в коэффициентах теплового расширения составляющих ее
При П0ВТ°Ряющихся циклах охлаждения в процессе работы, и” ~^^^ НаПримеР- для КРТ на подложке из Cd (ZnSe)Te ^оТоколо^” И3 " ™П °ГР™ квадратом - меняется”лп^Тп ТаК называемая «непрямая» гибридная, часто при- лпиемник г™.* липеинь,х структур (с ВЗН или без). Здесь
коэффициенту тепл™ ° подложк°й' хорошо согласованной с ним по на подложке ня °Г° РасшиРения- Схема считывания монтируется с приемной КО1°РОМ Расстоянии от приемника и соединяется позволяв поовепить , ШИНаМН' "Роенными по подложке. Это считывания а такжеСтруктуру до присоединения схемы
считывания’понеобходимости увеличить размеры ячеек схемы емкости.ИЮ С размеРами ФЧЭ, например для увеличения
В монолитных ИК ПЗС- и пил
чувствительная матрица и электоон^?^ стР>'ктУРах Фото" выполняются в едином m J p0HHb,L схемы считывания и управления ками со схемой дальнейшей6электрическими проводни-
>технологи^ схемы Л ооработк» сигнала. При так называемой в направлении, пеопенчи^ аРИТе1ЬН°“ ^Работки сигнала вытянуты направлении оси z. Так нДь^М- Фокальиой плоскости лу, т.е, в МДП-структупа изготчты Мая интегРиРОванная по вертикали ^чувствительного ма=^^Уменьшения ТОЛЩИНЫ фо-
шую структуру Поиемнн.А ’ иаиесснного на кремниевую считываю- •~””^^- м'лп—>
путем протравливания и металли-
зации соответствующих каналов. По такой технологии изготовлена в частности фирмой TI (США) матрица КРТ 128 к 128 эл. на диапазон 8-10 мкм.
Для успешной разработки таких сложных приборов, какими являются современные многоэлементные ИК-фотоприемники, требуется тесная координация исследовательских и опытно-конструкторских работ. В настоящее время ФД КРТ приемники и приемники на примесном кремнии отработаны недостаточно, хотя хорошо воспроизводимые большие двумерные матрицы приемных элементов на этих материалах для исследовательских работ научились изготавливать. В целом, несмотря на отмеченную неотработанность приборов на этих материалах, они, конечно, уже находятся на стадии усовершенствования, а что касается таких новых устройств, как приемники на сверхрешетках или высокотемпературных сверхпроводниках, то для них пока еще требуется разработка принципов.
Уже в значительной степени усовершенствованы приемники на основе InSb и PtSi, что позволяет создавать фокальные матрицы на этих материалах с большим числом элементов. За последние 10-20 лет повышена чувствительность, снижены шумы 1//, улучшены однородность и воспроизводимость устройств на таких материалах, как РЬЬ, PbSe и КРТ.
Стоимость современных многоэлементных ИК-фотоприемников зависит от ряда факторов, среди которых следующие.
необходимость достижения высокого значения D , сравнимою с D* BLIP;
необходимость детальных испытаний и определения характеристик, - унификация конструкции и спецификации,
высокий уровень документации и контроля,,Tr,vlfTvn
необходимость усовершенствования многоэлементных ^РУ УР- Сравнительно недорогие приемники специфицируются по номиналу и проверяются на функционирование, а не на С00Тве^СТ® могут гочисленным характеристикам. Исключением из этогах
быть конкретные приемники, изготавливаемые в ольможет
Потребность в улучшении одного или нескольких пр Р привести к существенному росту стоимости.
Характеристики некоторых ИК-фотоприемников
КРТ. Как указывалось выше. КРТ-приемникн‘ "°^ вать спектральную чувствительность в широком дп к
1 до 25 мкм) в зависимости от состава и Р^"1»
ФД КРТ обычно ограничиваются в ^»™octh^o X чтобы сохранить высокое значение имп Д ,^ ? возможна
нии фокальных ма;Риа' = ^тэО.
^КРтТз^^^ виде линеек (240. 288 эл. в Европе и 480, 960 эл.
в США), двумерных линеек с ВЗН и двумерных матриц размером от 32 х 32 эл. до 480 х 640 эл. Размер ФЧЭ в принципе может составлять от 20 мкм до 1 мм. Эти приемники находят применения в теплопе- ленгационных системах поиска и слежения, а также в тепловидении. Ниже приведены типичные параметры двумерной линейной структуры с ВЗН по четырем элементам.
Типичные характеристики линейки ФД КРТ
Число элементовРазмер ФЧ ячейкиГраничная длина волныСреднее D* (77 К. угол на фон 30°) Среднеквадратичное отклонение D* Число дефектных элементов при D* < 0,6- 10м Квантовый выходЧисло элементовРазмер ФЧ ячейкиГраничная длина волныСреднее D* (77 К. угол на фон 30°) Среднеквадратичное отклонение D* Число дефектных элементов при D* < 0,6- 10м Квантовый выход240 х 440 х 40 мкм10.0- 10.5 мкм1.2-1011 Вт1 см- Гц1/2< 15%не более 4> 65% (без просветляющего покрытия)240 х 440 х 40 мкм10.0- 10.5 мкм1.2-1011 Вт1 см- Гц1/2< 15%не более 4> 65% (без просветляющего покрытия)
Число элементов
Размер ФЧ ячейки
Граничная длина волны
Среднее D* (77 К. угол на фон 30°) Среднеквадратичное отклонение D* Число дефектных элементов при D* < 0,6- 10м Квантовый выход
Число элементов
Размер ФЧ ячейки
Граничная длина волны
Среднее D* (77 К. угол на фон 30°) Среднеквадратичное отклонение D* Число дефектных элементов при D* < 0,6- 10м Квантовый выход
240 х 4
40 х 40 мкм
10.0- 10.5 мкм
1.2-1011 Вт1 см- Гц1/2
< 15%
не более 4
> 65% (без просветляющего покрытия)
240 х 4
40 х 40 мкм
10.0- 10.5 мкм
1.2-1011 Вт1 см- Гц1/2
< 15%
не более 4
> 65% (без просветляющего покрытия)
ФР КРТ можно изготовлять в настоящее время только в виде линеек, хотя демонстрировались и небольшие матрицы Юх 10 эл. Для диапазона 8-12 мкм линейки изготовляют с числом элементов 30, 60, 120, 160 и 180 (Тра6 = 80 К), а для диапазона 3-5 мкм-30 (Траб = 190 К). В модификации SPRITE линейная структура содержит до 10 элементов, что в комбинации с ВЗН дает соответствующий выигрыш в D*. Во всех многоэлементных ФР КРТ каждый элемент имеет отдельное соединение с ПУ. причем построить фокальную матрицу из-за низкого импеданса не удается.
В последнее десятилетие удалось улучшить характеристики ФР КРТ в некоторых модификациях приборов. Применение блокирующих контактов и(или) введение в материал уровней-ловушек (центров прилипания) позволило увеличить время жизни носителей. В результате чувствительность приборов удалось поднять на 1,5-2 порядка. Так, например, ФР КРТ с размером элемента 50 х 50 мкм и Хгр = 12 мкм при 80 К в «ловушечной» модификации имел при мощности смещения 10 мкВт в 70 раз более высокую вольт-ваттную чувствительность, чем ФР обычной конструкции. Увеличение чувствительности может быть использовано для уменьшения мощности смещения или(и) для увеличения тока шума, что облегчает согласование приемника с усилителем. В частности, для приведенного выше примера ФР КРТ в «ловушечной» модификации для достижения чувствительности 105 В/ВТ требуется на ??И1ЛП^ЯДКа меньшая мощность смещения, чем для обычного ФР (4 -10 мкВт вместо 4-102 мкВт).
J™* ^ *П$Ь остается наиболее популярным приемником для средней ИК-области спектра 3-5 мкм при рабочей температуре 80 К. Этот приемник обладает отличной равномерностью чувствительности в многоэлементной структуре, как указывалось выше. Изготовляются смот- матрицы с задним освещением по прямой гибридной схеме С числом элементов 58 х 62, 128 х 128, 200 х 200, 256 х 256 и 640 х 480
как для работы при высоком уровне фона с объективом, имеющим относительное отверстие 1:2, так и для астрономических применений при низком уровне фона. Квантовый выход многоэлементных структур составляет приблизительно 90%.
PtSi. Приемники на силициде платины позволяют в настоящее время построить фокальные ИК-матрицы с наибольшим по сравнению с другими приемниками числом элементов. Описаны матрицы PtSi с числом элементов от 128 х 128 до 480 х 640 и линейные структуры с числом элементов 2048 х 16 и 4096 х 4 с ВЗН. Приемники изготавливаются как в гибридном, так и в монолитном исполнении. Коэффициент заполнения в гибридных конструкциях составляет до 100%, в монолитных-30-55%.
Фотоприемники PtSi характеризуются необычной для ИК-прием- ников зависимостью квантового выхода от длины волны: квантовый выход с ростом длины волны падает. В области 4-5 мкм типичные значения квантового выхода равны 0,1-1%. Тем не менее в тепловизионных системах при высоком уровне фона удается получить очень хорошее изображение при наличии большого числа элементов и очень хорошей равномерности чувствительности (о не превышает 0,2%). На приемниках PtSi выпускается в настоящее время ряд тепловизионных
ivuivivp#.
Si:X. Спектральные характеристики приемников на примесном кремнии зависят от вида легирующей примеси. Перечень примесей и соответствующие им значения граничных длин волн спектральной чувстви
тельности приемников приведены ниже.
ПримесьIn®*$а
Рабочая темпера- 40-6020-3020-3013
фотоприемниковфотоприемниковпримесныхпримесныхкремниевыхкремниевыхтура, К
фотоприемников
фотоприемников
примесных
примесных
кремниевых
кремниевых
Пороговые характеристикиПороговые характеристикипириювыс ларам^рг»-.«««. ..,
Пороговые характеристики
Пороговые характеристики
лимитируются флуктуациями фотонов фона; их квантовый выход зависит от природы и концентрации примеси, длины волны и толщины чувствительного слоя фотоприемника. Типичные значения квантового выхода в максимуме составляют 10-50%. Модификация приемников этого типа с так называемой электропроводностью по примесной зоне (IBC-impurity band conduction) путем сильного легирования позволяет сохранить импеданс приемника на достаточно низком уровне и уменьшить избыточные шумы, а также продлить спектральную чувствительность приемника в длинноволновую область.х Примесные кремниевые приемники часто охлаждаются жидким гелием; для их охлаждения применяются также двух- и трехступенчатые охладители замкнутого никла. Для астрономических применений при низком уровне фона многоэлементные приемники на примесном кремнии изготавливаются, например, в формате 58 х 62 эл. [9].
Структура с электропроводностью по примесной зоне может исполь-
зоваться также для построения твердотельного ФЭУ, выходящего на режим счета отдельных фотонов. Спектральная чувствительность опытных образцов твердотельных ФЭУ перекрывает диапазон длин волн 0,4-28 мкм [Ю].
PbS и PbSe. Фоточувствительные слои PbS и PbSe могут наноситься химическим путем в виде тонких поликристаллических пленок на подложку из изолирующего материала. Эти приемники могут работать как фоторезисторы при температурах 77-300 К. Как в зависимости от температуры изменяется длинноволновая граница спектральной чувствительности видно из таблицы на с. 416. В зависимости от рабочей температуры, фонового потока и химических свойств импеданс приемников может быть установлен в диапазоне 106-109 Ом/квадрат. Как видно из рис. Д.1, неравномерность чувствительности PbS и PbSe обычно лежит в диапазоне 3-10%. При достаточном охлаждении обнаружительная способность приемников выходит на уровень примерно 50% ее значения в режиме ОФ (BLIP), квантовый выход-примерно 30%. Квантовый выход может ограничиваться неполным поглощением излучения в относительно тонком (1-2 мкм) фоточувствительном слое. Могут быть изготовлены многоэлементные приемники с числом элементов 1000-2000; число работающих элементов при этом превышает 98%. При числе элементов 100 и менее можно добиться 100%-ного уровня числа работающих элементов. Благодаря высокому импедансу PbS и PbSe хорошо сочетаются со считывающими схемами.
Приемники PbSe имеют значительную составляющую 1//-шума; частота, ниже уровня которой она начинает сказываться, составляет 300 Гц при 77 К, 750 Гц при 200 К и 7 кГц при 300 К. Это обычно ограничивает применение приемников PbSe в тепловизорах с разверткой.
Таким образом, данные, приведенные в [1], показывают, что задача создания фокальных матриц (focal plane arrays-FPA, см. также дополнения к гл. 13 и 17), т.е. многоэлементных фоточувствительных структур, объединенных с устройствами обработки сигналов в фокальной плоскости тепловизионной или теплопеленгационной аппаратуры, представляет важнейшее направление развития многоэлементных фотоприемников. Успехи, достигнутые в этой области, значительны, хотя отдельные прогнозы, дававшиеся в конце 1970-х гг. (см. например, [П])« оказались чрезмерно оптимистичными, и широкое внедрение ИК-фо- кальных матриц в оптико-электронное приборостроение продолжает оставаться задачей будущего к началу 1990-х годов.
В заключение приведем некоторые соображения, относящиеся к терминологии. В подавляющем большинстве видов различных оптикоэлектронных устройств ИК-техники решается задача обнаружения сла- оых оптических сигналов на фоне шумов. Поэтому разработчики оптико-электронной аппаратуры всегда стремились конструктивно сблизить приемник и первый элемент тракта обработки сигнала - предусилитель,
чтобы уменьшить вклад усилителя в общий шум [12].
На рубеже 1960-х-1970-х гг. благодаря развитию микроэлектроники стало возможным совмещать в одной конструкции (в одном корпусе и даже на одном кристалле) ФЧЭ, выполняющий функцию преобразования оптического сигнала в электрический, и электронные блоки (в микросхемном исполнении), полностью либо частично выполняющие другие функции обнаружения (фильтрацию, усиление, коммутацию), а в отдельных случаях даже функцию принятия решения о наличии или отсутствии сигнала. Возник новый класс приборов, который в русской литературе получил название «фотоприемные устройства». В соответствии с действующим стандартом [13] фотоприемным устройством (ФПУ) называется фоточувствительный полупроводниковый прибор, состоящий из фотоэлектрического полупроводникового приемника излучения и схемы предварительного усиления фотосигнала в гибридном или интегральном исполнении, объединенных в единую конструкцию.
Этому новому классу приборов посвящена одна из первых книг по ФПУ [14], а также обстоятельная, опирающаяся на собственные многолетние работы в этой области, книга М. А. Тришенкова [15]. Номенклатура отечественных ФПУ широко представлена в справочнике [16]. Учитывая все изложенное, в приводимых ниже более детальных дополнениях к гл. 13 и 17 наряду с замечаниями, относящимися к отдельным элементам устройств, используются соображения, относящиеся к ФПУ в целом.
К ГЛ. 12
Полезные общие сведения о приемниках инфракрасного излучения, относящиеся к физике их действия, принципам устройства и основным характеристикам, можно получить из книг [17-24] на русском языке, специально посвященных приемникам излучения, а также из соответствующих разделов книг [12.15, 25 27]. Классификация и система параметров приемников оптического излучения и вопросы измерения параметров и характеристик приемников и ФПУ рассмотрены в книге [28]. Общие сведения о принципах действия, устройстве и характеристиках
различных приемников ультрафиолетового, видимого и инфракрасного излучения содержатся также в справочнике [29].
Предельные (пороговые) характеристики приемников, как правило, ограничиваются физическими параметрами приема излучения; поэтому уровень этих характеристик для отечественных приемников соответствует уровню характеристик зарубежных образцов, указанных в основном тексте. Подробные сведения по номенклатуре и характеристикам выпускаемых отечественных приемников излучения содержатся в справочнике [16J, где приведены характеристики отечественных фоторезисторов на основе сульфида кадмия, селенида кадмия, сульфида свинца, селенида свинца, кремниевых фотодиодов и фототранзисторов, германиевых фотодиодов и фототранзисторов, фоторезисторов и фотодиодов на основе ангимонида индия, фоторезисторов на основе германия, легированного золотом и ртутью, и фоторезисторов на основе соединений КРТ. В гл. 6 этого справочника представлены номенклатура и характеристики отечественных тепловых приемников излучения: болометров и пироэлектрических приемников излучения (ППИ).
Дополнительные данные по выпускаемым в нашей стране фотоприемникам можно получить из справочника [30], а также из рекламных проспектов [31-33].
К ГЛ. 13
Несмотря на то что все изложенное в гл. 13 опирается главным образом на литературные источники 1970-х гг., практически все затронутые принципиальные вопросы, касающиеся основ устройства и функционирования ИК ПЗС, остались в силе и сегодня. Поэтому для более подробного ознакомления с ПЗС можно и сейчас рекомендовать ряд монографий, появившихся в русском переводе в конце 1970-х-начале 1980-х гг., которые приобрели на сегодня статус классических. Это прежде всего книга пионеров в области зарядовой связи Секена и Томл- сета [35], являющаяся прекрасным введением в классическую проблематику ПЗС. Дополнением к ней в части применения ПЗС в устройствах обработки сигнала (в том числе в мультиплексорах, играющих важнейшую роль в гибридных ИК ПЗС) может служить книга [6]. Специфика примесных и узкозонных ИК ПЗС рассмотрена в [7].
В тоже время развитие ПЗС с момента их изобретения носило взрывной характер, и до настоящего времени эти приборы являют собой пример одной из наиболее динамично развивающихся ветвей фотоэлектроники. За время, прошедшее с конца 1970-х гг., структура «линии фронта» в области ИК ПЗС заметно изменилась. Четыре направления развития ИК ПЗС, названные в основном тексте-гибридные, примесные, узкозонные (на собственном поглощении) и шоттки-барьерные- СВО€ Равноправие. Наибольшее развитие получили гибридные К ПЗС, сочетающие высокие характеристики фоточувствительных
элементов с широкими функциональными возможностями кремниевых ПЗС по обработке сигналов, благодаря чему такие приборы приобретают черты видеопроцессоров.
Второе место по значимости-у ИК ПЗС с барьером Шоттки, важнейшее преимущество которых-их высокая технологичность и, как следствие, возможность создания и дешевизна ИК-приемников большого формата. В ряде задач значение именно этих факторов, а не относительно невысокой квантовой эффективности (на сегодня технологические возможности ее повышения практически исчерпаны), оказывается решающим, что и определяет интерес к данным приборам. ИК ПЗС на барьере Шоттки посвящены обзоры [36, 37], основам гибридных ИК ПЗС-обзор [38]. Физика электрической инжекции и схемотехника наиболее важных элементов гибридных ИК ПЗС-входных устройств- рассмотрены в работах [39-41]. В работах [42-44] представлены конкретные разработки приборов этого типа, а в [8] рассмотрено дальнейшее развитие их функциональных возможностей.
Что касается ИК ПЗС на узкозонных материалах, то технологические проблемы создания приборов, сравнимых по характеристикам с гибридными, на сегодня далеки от разрешения. Развитие примесных ИК ПЗС сдерживается необходимостью применения систем более глубокого охлаждения, чем для гибридных ИК ПЗС, более низким коэффициентом использования фоточувствительной площади и меньшей квантовой эффективностью.
Функциональные схемы ФПУ с накоплением заряда на базе ПЗС (ФППЗ) весьма подробно рассмотрены в книге [15], где подчеркивается, что в ПЗС достигнута максимально возможная степень интеграции всех функций: преобразование оптического сигнала в электрический (детектирование), фильтрация (накопление), коммутация могут выполняться одной МДП-ячейкой. Однако в ряде модификаций ПЗС эти функции разделяют, потому что каждый элемент, каждая МДП-структура лучше справится с одним поручением, чем с тремя.
Семейство современных ПЗС и их схемотехника чрезвычайно разнообразны. В состав прибора включаются различные вспомогательные секции из ПЗС-регистров, однако во всех этих приборах сохраняется принцип конвейера: заряды передаются на общий выход по цепочке, от одной ячейки к другой.
В книге [15] четко сформулированы особенности построения ФППЗ Для ИК-диапазона по всем четырем отмеченным в основном тексте направлениям разработки ИК ПЗС и ИК ПЗИ и подробно рассмотрены вопросы обработки сигнала в ФППЗ. В справочнике [16] приведены номенклатура и характеристики выпускаемых отечественной промышленностью кремниевых ФППЗ (спектральная область работы 0,4- 1,0 мкм).
К ГЛ. 14
Из литературы на русском языке по тематике гл. 14 нужно указать уже упоминавшийся справочник [29]. в котором гл. 5 и 13 посвящены соответственно пириконам и видиконам, а также книгу [34] о пириконах (видиконах с пироэлектрической мишенью). Номенклатура и характеристики отечественных видиконов приведены в справочнике [16], большинство из них чувствительны только в видимой области спектра. Чувствительностью, продленной в ближнюю ИК-область спектра, обладает видикон ЛИ-446 (рабочая область длин волн 0.4-1,1 мкм).
К ГЛ. 15
В качестве дополнительной литературы по тематике гл. 15 можно рекомендовать обстоятельную книгу И. Б. Левитана [55]. В энциклопедии [56] приводятся краткие сведения о выпускаемых у нас в стране инфрахроматических фотографических материалах (с. 107) и общие сведения о съемке в ИК-лучах (с. 323). Сведения об отечественных инфрахроматических фотографических материалах приводятся также в [23]. В частности, указано, что выпускаются фотопластинки со следующими диапазонами спектральной чувствительности (нм): 660-780 (И-740А); 730-880 (И-840А); 790 -980 (И-920А).
Среди альтернативных методов ИК-фотографни следует особо выделить фотографирование при помощи электроннооптнческих преобразователей (ЭОП). Нужно отметить, что при фотографировании объектов в видимой и ближней инфракрасной областях спектра при низких уровнях освещенности использование ЭОП оказывается существенно более эффективным, чем непосредственное фотографирование пленочной камерой, благодаря на порядок большему квантовому выходу и усилению яркости изображения в ЭОП. Перспективность фотографирования через ЭОП одними из первых оценили астрономы уже в 1940-х-1950-х гг., получившие ряд важных результатов (свечение ночного неба и свечение объектов в центре Галактики в ближней ИК-об- ласти спектра [57]).
Подробное сравнение электронной фотографии слабо светящихся объектов проведено в [57, 58]. Как указано в [58], при использовании фотоэлектрических приемников изображения как с внешним фотоэффектом (ЭОП, суперортикон), так и с внутренним фотоэффектом (видикон с вторично-электронной проводимостью) достигается эффективный квантовый выход около 20% против 2% при фотографировании непосредственно на фотопленку. К дополнительным преимуществам относятся линейность фотоэффекта вплоть до самых низких уровней света, преобразование изображения в электрический сигнал, возможность вычитания сигнала равномерного фона. Спектральная область работы электронной фотографии не уже, чем при фотографировании на пленку;
при необходимости может перекрываться даже более широкий, продленный в область длинных волн (до 1,2 мкм) диапазон. К недостаткам применения ЭОП по сравнению с традиционной фотографией относится меньшая четкость изображения и очевидное усложнение используемой аппаратуры и методики.
Оригинальный способ использования обычных панхроматических фотопленок, чувствительных только до 0,7 мкм, для фотографии в ИК-области спектра был открыт в 1976 г. Фрейзьером [59]. Вначале пленка экспонируется ИК-излучением, а затем на короткое время засвечивается равномерным фоновым видимым светом. После проявления на пленке видна равномерная фоновая плотность почернения от экспозиции видимым светом, на которую наложена картина переменной плотности, соответствующая ИК-изображению. Этот процесс получил название ИК-фотографии на основе предварительного очувствления (Infrared Presensitization Photography-IRPP [60]).
Эффект объясняется сдвигом характеристической кривой влево под действием нагрева участков эмульсии ИК-излучением. Количественная оценка чувствительности дана в работе [61], где исследовались пять типов черно-белой панхроматической пленки фирмы Кодак. Время предварительной экспозиции в ИК-лучах 10-20 мс, потребный уровень экспозиции-сотни мДж/см2. Указывается, что наибольшую чувствительность данного метода обеспечивают более мелкозернистые пленки. Основные области применения-лазерная диагностика, фотографирование Солнца.
К ГЛ. 16
Следует указать следующую дополнительную литературу на русском языке по тематике гл. 16. Теоретические основы и конструкция криогенных машин рассмотрены в учебнике [45]. Описанию охлаждающих устройств, специально предназначенных для охлаждения приемников излучения, посвящены книги [46, 47]. Микрокриогенная техника для фотоприемников-микрокриогенные системы (МКС) на основе запаса жидкого хладагента, дроссельные МКС, МКС на базе газовых криогенных машин (ГКМ) и термоэлектрические охладители (ТЭО)-кратко рассмотрены в [26, т. 3].
Систематизированный материал по некоторым микрокриогенным устройствам и установкам криостатирования изложен в учебных пособиях [48, 49]. Криогенным теплообменникам посвящена монография [50]. Библиографическая информация по гелиевой криогенной технике периодически выпускается ВНИИ гелиевой техники. Представление о направлении работ в области микрокриогенной техники можно соста вить по материалам Всесоюзной научно-технической конференции, проведенной в 1984 г. [51].
Общие тенденции развития микрокриогеннои техники для ее перс-
вода на уровень температуры 80 К можно охарактеризовать следующим образом:
сужение области применения дроссельных систем замкнутого типа (оказывается предпочтение ГКМ ввиду их лучших термодинамических и массогабаритных характеристик и возможности отделения силовой компрессорной части ГКМ от зоны ФЧЭ);
использование дроссельных систем разомкнутого типа в переносных устройствах ИК-техники;
широкое использование МКС на базе ГКМ по циклу Стирлинга («интегральный» вариант);
интенсивное развитие нового направления-МКС на базе ГКМ типа Сплит-Стирлинг («дифференциальный» вариант, компрессор отделен от холодной головки трубкой длиной до 500 мм);
перспективность использования в МКС с ГКМ по циклу Сплит- Стирлинга линейно-резонансного привода, что позволяет увеличить ресурс до 10 тыс. ч и более против ресурса 1,5-2 тыс. ч, обеспечиваемого кривошипно-шатунным механизмом привода.
К ГЛ. 17
Как указывалось выше, вопросы предварительного усиления и обработки сигнала приемника излучения сегодня целесообразно рассматривать как важнейшую функцию фотоприемного устройства (ФПУ). объединяющего собственно фотоприемник и электронные устройства предварительной обработки сигнала. Эти вопросы достаточно подробно рассмотрены в монографии [15]: гл. 3 «Основы теории оптимальной фильтрации в приложении к ФПУ» и гл. 4 «Обработка сигнала в реальных ФПУ» занимают более половины объема книги; функции, выполняемые собственно предусилителем, изложены в разд. 1.3. Значительное внимание уделено здесь операционным усилителям, широко применяющимся для предварительного усиления сигнала фотоприемников. По операционным усилителям можно рекомендовать дополнительную литературу [52-54]. Вопросы оптимальной фильтрации подробно рассмотрены также в [25].
ЛИТЕРАТУРА
рр. 1649^ 1663.^^L^ mid8e sensors- Optical Engineering, v. 30, No. 11,
2.3.2.3.Обзор истории развития приемников ИК-излучения и современного состояния разработок и производства многоэлементных фоточувствительных структур для систем, создающих изображение. Рассмотрены приемники на основе PbS, PbSc, InSb, HgCdTe, PtSi и примесного кремния. Особое внимание уделено равномерности характеристик отдельных элементов.
2.
3.
2.
3.
Lawson W. D. et al. Preparation and properties of HgTe and mixed cristals of HgTe Cd Ге. J. Phys. Chem. Solids, v. 9, p. 325, 1959,
Borel I о S., Levinstein H. Preparation and properties of mercury doped germanium. J. Appl. Phys., v. 33, p. 2942, 1962.
Lutz D. cl al. Stressed Ge: Ga infrared detectors performance and operational parameters. AplL Optics, v. 25, p. 1698, 1986.
Zogg H. ct al. Monolilic IR sensor arrays in heleroepitaxial narrow gap lead chalcogenides on Si for the SWIR, MW1R and LWIR Range. Proc SPIE v 1308 p. 166, 1990.
Приборы с зарядовой связью./Под ред. M. Хоувза. Д. Моргана. Пер. с англ.- М.: Мир. 1982.
Приборы с зарядовой связью./Под ред. Д.Ф Барба. Пер. с англ.-М.: Мир. 1982.
Fossum Е. R. Architectures for focal plane image processing. Optical Engineering v. 26, No. 8, p. 865, 1989.
Gcsari et al. A 58 x 62 pixel Si: Ga array camera for 5-14 pm astronomical imaging Proc. SPIE, v. 973, p. 287. 1988.
Petrol! M. D. et al. Detection of individual 0,4-28 pm wavelenght photons via impurity-impact ionization in a solid slate photomultiplier. Appl. Phys. Lett., v. 51, p. 406, 1987.
Lloyd D. B. Thermal Imaging Array with 106 Detector Elements Military Electro- nics/Countermeasures. Part I, November 1979, p. 58; Part II, December 1979, p. 32; Part HI, January 1980, p. 28.
Рассматривая начавшиеся в 1970-х гг. разработки фокальных матриц приемников ИК-излучения, автор пытается прогнозировать их дальнейшее развитие, предсказывая их широкое внедрение во второй половине 1980-х гг. Как показало время, прогноз автора оказался чрезмерно оптимистичным. О фактическом состоянии разработок ИК-фокальных матриц на начало 1990-х гг. см. обзор [1].
Хадсон Р. Инфракрасные системы. Пер. с англ.-М.: Мир. 1972.
Опирающееся на богатый опыт автора изложение системотехнических основ проектирования устройства ИК-техники. С минимальным использованием математического аппарата приведены важные для инженерной практики положения, относящиеся как к отдельным частям систем, так и к системе
в целом.
Используемая на протяжении ряда лет книга еще не устарела как в части основополагающих рекомендаций, так и в значительной части справочного материала. Физические принципы работы различных приемников в объеме, необходимом для инженерных применений, описаны в гл. 7. В i л. 10 в удобной форме приведены характеристики отдельных типов приемников.
ГОСТ 21934-83. Приемники излучения, полупроводниковые фотоэлектрические и фотоприемные устройства. Термины и определения.-М.: Изд-во стандартов. 1985.
Стандарт содержит следующие разделы. 1. Общие понятия. 2. Виды фотоэлектрических полупроводниковых приемников (ФЭПП). 3. Виды фотоприемных устройств (ФПУ). 4. Режимы работы ФЭПП и(или) ФПУ. 5. Конструктивные элементы ФЭПП и ФПУ. 6. Параметры напряжений, сопротивлений, токов ФЭПП. 7. Параметры чувствительности ФЭПП. 8. Параметры порога и шума ФЭПП. 9. Параметры спектральной характеристики. 10. Геометрические параметры ФЭПП. II. Параметры инерционности ФЭПП. 12. Параметры многоэлементных ФЭПП. 13. Параметры фототранзисторов. 14. Параметры лавинных ФД. 15. Параметры инжекционных ФД. 16. Эксплуатационные параметры ФЭПП. 17. Вольтовые характеристики ФЭПП. 18. Характеристики зависимости параметров ФЭПП от потока излучения. 19. Частотные характеристики ФЭПП. 20. Фоновые характеристики ФЭПП. 21. Температурные характеристики ФЭПП. 22. Временные и пространственные характеристики ФЭПП.
Аксененко М.Д., Бараночников М.Л., Смолин О. В. Микроэлектронные фотоприемные устройства.- М.: Энергоатомиздат. 1984.
Излагаются принципы действия и схемотехнического построения изделий
микрофотоэлектроники, создаваемых на основе фоторезисторных. фотодиодных фототранзКегорных и пироэлектрических фотоприемных устройств. Фотопезистор-диодных. фотодиод-диодных. фотоднод-МДП-транзисторных и других структур. Приводятся инженерные методы расчета отдельных параметров и методы их измерения, а также возможные области применения. 15. Тришенков М.А. Фотоприемныс устройства и ПЗС. Обнаружение слабых оптических сигналов.-М.: Радио и связь, 1992.
Монография, посвященная подробному рассмотрению Ф11У и ПЗС применительно к задачам обнаружения слабых оптических сигналов. В значительной мере опирается на многолетние работы автора в этой области. На высоком физическом и техническом уровне рассмотрены функциональноструктурные схемы ФПУ, ПЗС и других приборов с накоплением заряда, сигнал и шум ФПУ. основы теории оптимальной фильтрации в приложении к ФПУ, обработка сигнала в реальных ФПУ и обнаружение слабых оптических сигналов в оптико-электронных системах различного назначения.
Аксененко М.Д. Бараночников М. Л. Приемники оптического излучения. Справочник.-М.: Радио и связь, 1987.
Систематизированы справочные данные по отечественным приемникам оптического излучения. Приведены классификация приемников оптического излучения, физические принципы их действия, определения основных параметров и характеристик, технические данные (параметры, конструктивные размеры, относительные спектральные характеристики чувствительности, условия эксплуатации и др.).
Условные обозначения приемников составляют из трех элементов. Первый элемент (буквенный) обозначает принадлежность к класссификационной группировке: ФР-фоторезисторы; ФД фотодиоды; ФТ фототранзисторы; ФМ- фотоприемники многоспектральные; ФУ О - одноэлементные ФПУ; ФУР-многоэлементные ФПУ с разделенными каналами; ФУК-многоэлементные ФПУ с внутренней коммутацией (кроме фоточувствительных приборов с переносом заряда); ФППЗ-фоточувствительные приборы с переносом заряда. Второй элемент (число) обозначает порядковый регистрационный номер разработки. Третий элемент (буквенный или цифробуквенный) обозначает особенность конструктивного исполнения или различия в уровне одного из параметров приемника. Для указания конструктивных особенностей приборов применяются буквенные обозначения: М - многоэлементные ФР и ФД или матричные ФПУ; К координатный ФД; Л - лавинный ФД или линейчатые ФПУ. Например, ФР306М многоэлементный фоторезистор; ФУР 108Л - многоэлементное линейчатое ФПУ с разделенными каналами.
Приемники инфракрасного излучения. Ж. Шоль, И. Марфан, М. Мюнш и др.
Пер. с франц. М.: Мир, 1969.
Рассмотрены физические принципы, на которых основано действие самых разнообразных приемников ИК-излучения (рабочий диапазон длин волн 0.75—100 мкм), важнейшие параметры приемников, способы расчета и методы измерения параметров. Излагаются также важнейшие сведения, необходимые для правильного проектирования, выбора и оптимального использования приемников. Значительное внимание уделено механизму шумов и пороговым даРактеРистикам при обнаружении слабых оптических сигналов.
Аморозяк А. Конструкция и технология полупроводниковых фотоэлектрических приборов. Пер. с польск.-М., Сов. радио, 1970.
основы констРУирования и технологии изготовления полупро- ^х фотоэлектрических приборов фоторезисторов, фотогальваномаг- HriJn™^8'/8610^?'1011' фотодиодов, фототранзисторов, модуляторов -излучения. солнсчных фотоэлементов и др.
ко^чекгтоииыУ п^£?В А' ^л Приемники излучения автоматических оити- ко электронных приборов.-М.: Энергия, 1972
аппаратуризлУчения’ применяемые в оптико-электронной
ра уре. , аются инженерные методы расчета основных характерис-
тик при работе в реальных условиях для излучателей, отличных от эталонных с учетом фоновых засветок. Даны таблицы коэффициентов использования для многих приемников и излучателей с различными температурами
Кременчугский Л. С, Ройцина О. В,-Киев: Наук, думка. 1979.
В первом разделе книги приведены краткий исторический очерк развития пироэлектрических приемников излучения (ППИ). теория приемников и методика их расчета, рассмотрены виды ППИ и области их применения. Во второй раздел включены рефераты работы по пироэлектричеству и ППИ с 1914 по 1976 г.
Фотоприемники видимого и ИК-диалазонов./Под ред. Р.Дж. Киеса. Пер. с англ.-М.: Радио и связь. 1985.
Изложены основные физические принципы построения фотоприемников ИК-излучения. Рассмотрены тепловые, фотоэлектрические полупроводниковые и фотоэмиссионные приемники, применение ПЗС в приемниках ИК-излучения. нелинейный гетеродинный прием. Проанализировано влияние различных факторов на основные параметры фотоприемников. Указаны предельно достижимые значения параметров, проведено сравнение с уровнем, достигнутым экспериментально.
Полупроводниковые фотоприемники: ультрафиолетовый, видимый и ближний инфракрасный диапазоны спектра./Под ред. В. И. Стафесва. М.: Радио
23.23.24.24.25.25.26.26.и связь. 1984.
23.
23.
24.
24.
25.
25.
26.
26.
Описаны основные типы конструкций фоторезисторов, фотодиодов и других фотоприемников для области спектра от ультрафиолетового диапазона до ближнего инфракрасного. Приведены основные параметры одно- и многоэлементных фотопрнемников разных типов на основе различных полупроводниковых материалов. Изложены особенности построения ФПУ, охарактеризованы новые направления их развития, описаны матрицы с внутренним сканированием.
Ишанин Г. Г. Приемники излучения оптических и оптико-электронных приборов.-Л.: Машиностроение. Ленинградское отд-ние. 1986.
Описаны особенности работы приемников излучения в оптических и оптико-электронных приборах, принципы их действия, параметры, характеристики, конструктивное оформление. Рассмотрены приемники на внутреннем и внешнем фотоэффектах, включая телевизионные трубки и ПЗС. Приведен материал по тепловым приемникам излучения. Даны также краткие сведения о инфрахроматических фотографических материалах.
ТаубкинИ.И., Залетаев Н. Б., Кочеров В. Ф. Физические явления в моно- кристаллических примесных фоторезисторах. М.: НТЦ «Информтсхника»,
Последовательно и детально рассмотрены физические явления и основные характеристики примесных фоторезисторов. Сформулированы качественно новые выводы относительно примесной фотопроводимости в структурах с легированными контактами; при этом модель примесного фоторезистора доведена до уровня инженерного проектирования.
Мирошников М. М. Теоретические основы оптико-электронных приборов. Учебное пособие для приборостроительных ВУЗов. 2-е изд., перераб. и доп,- Л.: Машиностроение. Ленингр. отд-ние. 1983.
Фундаментальное руководство. В шести частях книги, включающих 24 главы, рассмотрены сканирование, растровая модуляция, сигнал, шум. отношение сигнала к шуму (энергетический расчет систем и вопросы выделения оптического сигнала на фоне случайных помех), некоторые области применения оптико-электронных приборов (иконнка и тепловидение).
В гл. 10 рассмотрены энергетические (световые) и спектральные характеристики приемников излучения, а также их частотные характеристики. Приемники излучения оптического диапазона. Под ред. Л. Н. Курбатова.
В книге: Справочник по лазсрам./Под ред. А.М. Прохорова. В 2-х томах. Т. 2. М.: Сов. радио, 1978.
Ч. 6 справочника (с. 120 181) содержит пять статей: Курбатов Л. Н., Васильченко Н. В., Дирочка А. И. Основные типы фотоприемников и их общие свойства; Боде Н. Спектральные характеристики фотоприемников (пер. с англ.); Кременчугский Л. С. Тепловые приемники излучения и ра- . днационные калориметры; Левин Г. Э., Степанов Б. М.. Шефов А. С. Фото- эмиссионные приемники излучения; Буткевич В. Г., Тришенков М. А. Фотоэлектрические полупроводниковые приемники излучения.
Аш Ж. и др. Датчики измерительных систем. В 2-х книгах. Кн. I. Пер. с франц. М.: Мир. 1992.
В книге представлены обширные сведения о принципах работы, кон-
современныхи техники. Всовременныхи техники. Вструкции, характеристиках и условиях эксплуатации всех типов датчиков, используемых в различных областях науки гл. 5 подробно рассмотрены оптические датчики.
современныхи техники. В
современныхи техники. В
Измерение параметров приемников оптического иэлучсния./Под ред. Л.Н. Курбатова, Н.В. Васильченко-М.: Радио и связь. 1983.
Рассмотрены аппаратура и методы измерения параметров и определения характеристик фотоэлектрических и тепловых приемников излучения и фотоприемных устройств. Изложены вопросы выбора системы параметров, измерения чувствительности, шумовых, пороговых, частотных и спектральных характеристик. Рассмотрены особенности определения характеристик многоэлементных фотоэлектрических полупроводниковых приемников излучения и ФПУ на их основе, а также тенденции развития автоматизации измерений. 29. Справочник по приемникам оптического излучения./Под ред. Л.З. Крик- сунова, Л. С. Кременчугского.-Киев: Техника, 1985.
Представлены сведения о принципах действия и устройстве различных типов приемников ультрафиолетового, видимого и инфракрасного излучения, а также параметры и характеристики приемников излучения, применяемых в современных оптико-электронных приборах. Даны расчетные формулы, описывающие параметры и характеристики приемников при работе в реальных условиях. Гл. 1-15 справочника посвящены соответственно классификации приемников, радиационным термопарам, болометрам, пироэлектрическим приемникам излучения, пириконам, фотоэлементам, ФЭУ, ЭОП, передающим телевизионным трубкам с внешним фотоэффектом, фоторезисторам, фотодиодам и фототранзисторам, приемникам излучения на основе ПЗС, видиконам, системам охлаждения приемников и согласованию приемников с оптической системой.
Фотоэлектрические полупроводниковые приемники излучения и фотоприемные устройства. Справочник для гражданского применения,-М.: НТЦ «Ин- формтехника», 1991.
В справочнике представлены различные виды фотоэлектрических полупроводниковых приемников излучения (ФЭПП) и ФПУ гражданского назначения, выпускаемых отечественной промышленностью: одноэлементные, многоэлементные. кодовые, охлаждаемые, неохлаждаемые, с внутренним усилением, состыкованные с ПУ. Для каждого прибора указаны номер ТУ, электрические и фотоэлектрические параметры, число, размер и рабочая температура фоточувствительных элементов, условия эксплуатации, приведены внешний вид прибора и его габаритный чертеж.
НПО «Орион». Приемники ИК-излучения на основе фотодиодов из HgCdTe- М.: НТЦ «Информтехника», 1992.
Приведены характеристики одноэлементных и квадратных, а также многоэлементных (линейчатые I х N (N = 10-128), 4 х N (N = 8 16 32 48)- матричные 2 х 2, 4 х 8. 4 х 16. 32 х 32. Справки по адресу: 111402. Москва, ул. Косинская, 9, «Фотэкс» НПО «Орион». Тел 374-82-00, 374-48-85, 374-51-41.
НПО «Орион». Фотоприемники на основе кремния, германия и гетероструктур InGa АзДпР. М.: НТЦ «Информтехника», 1992.
Приведены характеристики кремниевых pin ФД и кремниевых ЛФД, в том числе многоэлементных с числом элементов 8 и 25. германиевых ЛФД и одноэлементных ФД на основе гетероструктур. Справки по адресу: 111123 Москва, НПО «Орион». Тел. 176-16-79, 306-94-62.
НПО «Орион». Фотоприемники на основе халькогенидов свинца. М.: НТЦ «Информтехника», 1992.
Приведены характеристики фоторезисторов на основе PbS; в частности, описан 256-канальный фоточувствительный модуль. Приведены также характеристики 14-элементного ФПУ на основе фоторезисторов из PbSe с двухкаскадным ТЭО. Справки по адресу: 111123, Москва, НПО «Орион», Тел. 176-06-83.
Криксунов Л. 3., Рабышко В. А. Пириконы.-Киев: Техника, 1984.
Изложены основы устройства и области применения пириконов-телевизионных передающих трубок с пироэлектрической мишенью, чувствительных к ИК-излучению. Рассмотрены главные параметры пириконов, показана их зависимость от конструктивных особенностей мишени. Даны схемы тепловизоров, построенных на основе пириконов, приведены примеры их практического использования.
Секен К., Томпсет М. Приборы с переносом заряда. Пер. с англ.-М.: Мир, 1978.
Книга является первой монографией в мировой литературе, посвященной приборам с переносом заряда (ППЗ), в частности, приборам с зарядовой связью. Она дает полное представление о принципах работы ПЗС. основных физических процессах в этих приборах, способах построения различных устройств на ПЗС, их архитектуре и технологии изготовления. В ней дан подробный анализ применений ППЗ в качестве приемников, формирующих изображение, и в устройствах обработки аналоговой и цифровой информации. В частности, кратко рассмотрены приемники ИК-изображения на ПЗС (разд. 5.5, с. 211-218).
Многоэлементные приемники ИК-излучения на диодах с барьером Шотт- ки./Н. Р. Ангина, П.А. Богомолов, В. И. Сидоров, В. В. Шумский.-Заруб, электронная техника.- 1986, № 5 (300), с. 3-38.
Shepherd et al. Resent advances in silicide detectors.-Proc. SP1E, v. 915, 1988,
pp. 98-104.
Longo J. T., Cheung D.T., Andrews A. M. et al. Infrared Focal Planes in Intrinsic Semiconductors.-IEEE Trans., 1978, v. ED-25, No. 2, pp. 213-232.
Тришенков M. А., Винецкий Ю. P. Входные устройства приборов с зарядовой связью. Радиотехника и электроника. 1982, т. 2 7, № 12, с. 2280-2309.
41.41.Chan W. S. Detector- CCD interface methods - Proc. SPIE, 1980, v. 244, pp. 81-90. Bluzer N., Stehlik R. Buffered Direct Injection of Photocurrents into CCDs.- IEEE Trans, 1978, v. ED-25, No. 2, pp. 160-166.
41.
41.
42.42.Takigawa H., Dohi M., Veda R. Hybrid IRCCD imaging array.-IEEE Trans., 1980. v. ED-27, № 1, pp. 416 150.
42.
42.
43.43.Винецкий Ю. P. и др. ПЗС-мультиплексор для гибридных фотоприемников,- Электронная промышленность, 1982, вып. 7 (ИЗ), с. 21-25.
43.
43.
44.44.Botts S. Е. Design and Performance of a SWIR HgCdTe hybrid module for multispectral array. LANDSAT applications-IEEE Trans., 1985, v. ED-32, No. 8,
44.
44.
рр. 1584-1593.
Криогенные машины. Учебник для ВУЗов по спец. «Техника и физика низких температур». В. Н. Новотельное, А. Д. Суслов, В. Б. Полтораус.-СПб.: Политехника, 1991.
Изложены теоретические основы рабочих процессов в криогенных машинах-поршневых и турбинных детандерах, газовых машинах, низкотемпературных нагнетателях и насосах. Рассмотрены алгоритмы и программы
конструктивных и тепловых расчетов этих машин, а также алгоритмы и программы, моделирующие рабочие процессы в них. Даны сведения о конструкциях машин и их узлов и приведена информация, необходимая при эксплуата ни и машин.
Устройства для охлаждения приемников излучения./Под ред. В. И. Епифановой.-Л.: Машиностроение, 1969.
Даны фотоэлектрические характеристики приемников излучения и описаны миниатюрные устройства для их охлаждения, основанные на использовании эффекта Джоуля-Томсона, теплоты парообразования жидкостей, кипящих при низких температурах, «вихревого» эффекта, а также полупроводниковые и детандерные охлаждающие устройства.
ГрезинА.К.. Зиновьев В.С. Мнкрокриогенная техника.-М.: Машиностроение, 1977.
48.48.49.49.50.50.51.51.52.52.53.53.54.54.Рассмотрены вопросы теории, расчета, конструирования и применения МКС различного типа. Большое внимание уделено дроссельным установкам л системам на базе ГКМ, наиболее широко распространенным в микро- криогенной технике. Приведен обзор других известных схем и циклов охлаждения. рассмотрены перспективы реализации некоторых новых методов. Рассмотрены, в частности, дроссельные МКС на газовых смесях, МКС на гелиевый уровень температур. МКС на базе циклов Брайтона - Клода, твердотельные и жидкостные системы охлаждения. Кратко охарактеризованы перспективы развития ТЭО.
48.
48.
49.
49.
50.
50.
51.
51.
52.
52.
53.
53.
54.
54.
Суслов А. Д.. Глухов С.Д. Микрокриогенные устройства. Учебное пособие по курсу «Микрокриогенные устройства».-М.: МВТУ им. Н.Э. Баумана. 1982.
Рассмотрены область применения и особенности микрокриогенной техники, охлаждаемые устройства (приемники излучения, радиотехнические охлаждаемые устройства, криогенные вакуум-насосы, медицинские криоинструменты) и системы с запасом жидкого криоагента.
Суслов А. Д.. Глухов С. Д., Богаченко В. Н. Установки криостатирования. Учебное пособие по курсу «Микрокриогенные устройства».-М.: МВТУ им. Н.Э. Баумана. 1985.
Дана общая характеристика сублимационных микроохладителей, рассмотрены стабилизация температуры криостатирования, расчет сублимационных микроохладителей и вопросы заправки.
Дилевская Е. В. Криогенные микротеллообменники,- М.: Машиностроение, 1978.
Приводятся общие сведения о теплообменных аппаратах микрокрио- генных установок. Описаны конструкция микрокриогенных установок на 4-80 К и компоновка теплообменников с объектами охлаждения и микрокриогенной установкой, а также их изоляция. Рассмотрены процессы теплообмена и гидродинамики в микротеплообменниках и испытания теплообменников.
Тезисы докладов Всесоюзной научно-технической конференции «Микрокрио- гажая техника-84» (Омск. сентябрь 1984 г.).-М.: ЦИНТИХИМНЕФТЕМАШ, Фолкенберри Л. Применение операционных усилителей и линейных интегральных схем: Пер. с англ.-М.: Мир, 1985.
Применение интегральных схем. Практическое руководство. В 2-х кн. Кн. 1. Пер с англ.-М.: Мир. 1987.
Приведены основные технические данные современных интегральных схем от операционных усилителей до микропроцессоров и даны рекомендации по их практическому применению.
Интегральные схемы. Операционные усилители. Т. 1 М.: Физматлит, 1993.
ервыи том открывает список, в который входят практически все интегральные операционные усилители, выпускаемые на территории бывшего LLLP, в совокупности с полным описанием их зарубежных аналогов.
Левитин И. Б. Фотография в инфракрасных лучах.-М.: Воениздат, 1961.
Рассмотрены принципы ИК-фотографии, фотографические материалы для ИК-фотографии и вопросы их обработки, техника фотографирования в ИК-лучах и различные применения ИК-фотографии. Кратко рассмотрены альтернативные методы - использование эффекта Гершеля, фосфорографи- чсский метод (на эффекте гашения фосфоресценции ИК-лучами). эвапорогра- фия, фотографирование при помощи элсктроннооптического преобразователя и некоторые другие непрямые методы ИК-фотографии.
Фотокинотехника. Энциклопедия./Под ред. Е.А. И офиса. - М.: Сов. энциклопедия, 1981.
Щеглов П. В. Электронная телескопия.-М.: Физматгиз, 1963.
Рассмотрены конструктивные особенности и характеристики ЭОП. а также фотометрия и спектрометрия с помощью ЭОП. Даны практические рекомендации по работе с ЭОП. приведены некоторые результаты электронно-телескопических наблюдений при астрономических исследованиях. Проведено обстоятельное сравнение предельно достижимых характеристик при фотографировании слабосветящихся объектов при фотографировании через ЭОП и непосредственно на фотопленку. Показаны преимущества использования ЭОП.
Соул X. Электроннооптическое фотографирование. Сокр. пер. с англ. М.: Воениздат, 1972.
Излагается широкий круг вопросов, связанных с наблюдением и фотографированием различных объектов при низком уровне освещенности. Представлены краткие сведения о естественной ночной освещенности, описано элсктроннооптическое фотографирование с использованием усилителей яркости и фотографирование изображений с люминесцентных экранов, а также телевидение при низких уровнях освещенности. Дано сравнение методов получения изображений при фотографировании пленочной фотокамерой и при использовании передающих телевизионных трубок и ЭОП.
Frazier G. W. Middle infrared photography using silver halide films. J. Appl. Photogr. Eng., v. 3, No. 1, 1977, pp. 31-34..
Geary J. M. el al. Applied infrared presensitization photography. Optical Engineering, v. 24. No. 2, 1985. pp. 332 -337.
Geary J. M., Sessions R., Duneman D.C. Infrared presensitization photography: film comparison. Optical Engineering, v. 31, No. 6, 1992, p. 1362.
Исследованы пять обычных 35-мм черно-белых панхроматических фотопленок фирмы Кодак применительно к их использованию для ИК-фотографии с предварительным очувствлением (IR Presensitization Photography - IRPP). Метод основан на эффекте сдвига характеристической кривом под действием нагрева тепловыми лучами во время предварительной экспозиции ИК-изображения. Затем фотопленка засвечивается равномерным фоновым излучением видимого диапазона и проявляется. ИК-изображенис переменной плотности оказывается наложенным на небольшую равномерную плотность
засветки.
Установлено, что наиболее эффективны мелкозернистые пленки. Даны количественные оценки IRPP. Потребные экспозиции в ИК-лучах сотни мДж/см2 при времени экспозиции 10 -20 мс. Метод IRPP использовался для лазерной диагностики в диапазоне длин волн 3,8 10,6 мкм и фотографирования Солнца в диапазоне длин волн 1 -2 мкм. Намечены пути дальнейших исследований, направленных на расширение областей применений IRPP: уточнение доступного спектрального диапазона (например, 1-20 мкм), выявление наиболее подходящих фотопленок, исследование линейности и соблюдения закона взаимозаместимости и т.д.
Даны ссылки на ряд предшествующих работ J. М. Geary по проблемам IRPP за период с 1985 г.
ЛИТЕРАТУРА
К гл. 12
Цитируемая литература,
R. Clark Jones, D. Goodwin and G. Pullan, “Standard Procedures for Testing Infrared Detectors and for Describing Their Performance," AD No. 257597, Office of Defense and Development Research and Engineering, Washington, DC, September 1960, pp. 1-45.
R. A. Smith, F. E. Jones, and R. P. Chasmar, The Detection and Measurement of Infrared Radiation, Clarendon Press, Oxford, England 1968.
M. J. E. Golay, “Theoretical Considerations in Heat and Infra-Red Detection, with Particular Reference to the Pneumatic Detector," p. 347, and “A Pneumatic Infra-Red Detector," p. 357, Review of Scientific Instruments, American Institute of Physics, New York, NY, Vol. 18, No. 5, May 1947. Also M. J. E. Golay, “The Theoretical and Practical Sensitivity of the Pneumatic Infra-Red Detector," Review of Scientific Instruments. American Institute of Physics, New York, NY, Vol. 20,1949, p. 816.
E. H. Pulley, “The Pyroelectric Detector,” Semiconductors and Semimetals, R. K. Wiliardson and A. C. Beer (eds.), Academic Press, New York, NY. Vol. 5, 1970, pp. 259-285.
R. Havens, 'Theoretical Comparison of Heat Detectors," Journal of the Optical Society of America, Optical Society of America, Washington, DC, Vol. 36. 1946 p. 355.
R.D. Hudson, Infrared System Engineering. John Wiley and Sons, New York. NY, 1969, p. 357.
7.7.8.8.9.9.10.10.1).1).12.12.13.13.14.14.15.15.16.16.R. L. Petritz, “Fundamentals of Infrared Detection," pp. 1459-1467; also, G. R. Pruett and R. L. Petritz, “Detectivity and Preamplifier Considerations for Indium Antiomonide Photovoltaic Detectors," pp. 1524-1 529; Proceedings of the IRE, Institute of Radio Engineers, New York, NY, Vol. 47, September 1959.R. J. McIntyre, “Multiplication Noise in Uniform Avalanche Diodes," IEEE Transactions on Electron Devices, Institute of Electrical and Electronics Engineers, New York, NY, Vol. 13, 1966, p. 164.T. S. Moss, G. J. Burrell, and B. Ellis, Semiconductor Opto-Electronics, Halsted Press Division of John Wiley and Sons, New York, NY, 1973.W. L. Wolfe, “Photon Number D* Figure of Merit," Applied Optics. Optical Society of America, Washington, DC, Vol. 12, No. 3, March 1973, pp. 619-621. К. M. Van Vliet, “Noise in Semiconductors and Photoconductors" Proceedings of the IRE, Institute of Radio Engineers, New York, NY, Vol. 46, 1958, p. 1004. P. W. Kruse, L. D. McGlauchlin, and R. B. McQuistan, Elements of Infrared Technology, John Wiley and Sons, New York, NY, 1962.J. B. Johnson, “Thermal Agitation of Electricity in Conductors," Physical Review, American Institute of Physics, New York, NY, Vol. 32, 1928, p. 97. A. van der Ziel, “Noise in Junction Transistors," Proceedings of the IRE, Institute of Radio Engineers, New York, NY, Vol. 46, 1958, p. 1019.R. L. Williams, “Speed and Sensitivity Limitations of Extrinsic Photoconductors," Injrared Physics, Pergamon Publishing, Elmsford, NY, Vol. 9, 1969, pp. 37-40. S. R. Bonello, “Detection Uncertainty," Infrared Physics, Pergamon Publishing, Elmsford, NY, Vol. 12, 1972, pp. 267-270.R. L. Petritz, “Fundamentals of Infrared Detection," pp. 1459-1467; also, G. R. Pruett and R. L. Petritz, “Detectivity and Preamplifier Considerations for Indium Antiomonide Photovoltaic Detectors," pp. 1524-1 529; Proceedings of the IRE, Institute of Radio Engineers, New York, NY, Vol. 47, September 1959.R. J. McIntyre, “Multiplication Noise in Uniform Avalanche Diodes," IEEE Transactions on Electron Devices, Institute of Electrical and Electronics Engineers, New York, NY, Vol. 13, 1966, p. 164.T. S. Moss, G. J. Burrell, and B. Ellis, Semiconductor Opto-Electronics, Halsted Press Division of John Wiley and Sons, New York, NY, 1973.W. L. Wolfe, “Photon Number D* Figure of Merit," Applied Optics. Optical Society of America, Washington, DC, Vol. 12, No. 3, March 1973, pp. 619-621. К. M. Van Vliet, “Noise in Semiconductors and Photoconductors" Proceedings of the IRE, Institute of Radio Engineers, New York, NY, Vol. 46, 1958, p. 1004. P. W. Kruse, L. D. McGlauchlin, and R. B. McQuistan, Elements of Infrared Technology, John Wiley and Sons, New York, NY, 1962.J. B. Johnson, “Thermal Agitation of Electricity in Conductors," Physical Review, American Institute of Physics, New York, NY, Vol. 32, 1928, p. 97. A. van der Ziel, “Noise in Junction Transistors," Proceedings of the IRE, Institute of Radio Engineers, New York, NY, Vol. 46, 1958, p. 1019.R. L. Williams, “Speed and Sensitivity Limitations of Extrinsic Photoconductors," Injrared Physics, Pergamon Publishing, Elmsford, NY, Vol. 9, 1969, pp. 37-40. S. R. Bonello, “Detection Uncertainty," Infrared Physics, Pergamon Publishing, Elmsford, NY, Vol. 12, 1972, pp. 267-270.
7.
7.
8.
8.
9.
9.
10.
10.
1).
1).
12.
12.
13.
13.
14.
14.
15.
15.
16.
16.
R. L. Petritz, “Fundamentals of Infrared Detection," pp. 1459-1467; also, G. R. Pruett and R. L. Petritz, “Detectivity and Preamplifier Considerations for Indium Antiomonide Photovoltaic Detectors," pp. 1524-1 529; Proceedings of the IRE, Institute of Radio Engineers, New York, NY, Vol. 47, September 1959.
R. J. McIntyre, “Multiplication Noise in Uniform Avalanche Diodes," IEEE Transactions on Electron Devices, Institute of Electrical and Electronics Engineers, New York, NY, Vol. 13, 1966, p. 164.
T. S. Moss, G. J. Burrell, and B. Ellis, Semiconductor Opto-Electronics, Halsted Press Division of John Wiley and Sons, New York, NY, 1973.
W. L. Wolfe, “Photon Number D* Figure of Merit," Applied Optics. Optical Society of America, Washington, DC, Vol. 12, No. 3, March 1973, pp. 619-621. К. M. Van Vliet, “Noise in Semiconductors and Photoconductors" Proceedings of the IRE, Institute of Radio Engineers, New York, NY, Vol. 46, 1958, p. 1004. P. W. Kruse, L. D. McGlauchlin, and R. B. McQuistan, Elements of Infrared Technology, John Wiley and Sons, New York, NY, 1962.
J. B. Johnson, “Thermal Agitation of Electricity in Conductors," Physical Review, American Institute of Physics, New York, NY, Vol. 32, 1928, p. 97. A. van der Ziel, “Noise in Junction Transistors," Proceedings of the IRE, Institute of Radio Engineers, New York, NY, Vol. 46, 1958, p. 1019.
R. L. Williams, “Speed and Sensitivity Limitations of Extrinsic Photoconductors," Injrared Physics, Pergamon Publishing, Elmsford, NY, Vol. 9, 1969, pp. 37-40. S. R. Bonello, “Detection Uncertainty," Infrared Physics, Pergamon Publishing, Elmsford, NY, Vol. 12, 1972, pp. 267-270.
R. L. Petritz, “Fundamentals of Infrared Detection," pp. 1459-1467; also, G. R. Pruett and R. L. Petritz, “Detectivity and Preamplifier Considerations for Indium Antiomonide Photovoltaic Detectors," pp. 1524-1 529; Proceedings of the IRE, Institute of Radio Engineers, New York, NY, Vol. 47, September 1959.
R. J. McIntyre, “Multiplication Noise in Uniform Avalanche Diodes," IEEE Transactions on Electron Devices, Institute of Electrical and Electronics Engineers, New York, NY, Vol. 13, 1966, p. 164.
T. S. Moss, G. J. Burrell, and B. Ellis, Semiconductor Opto-Electronics, Halsted Press Division of John Wiley and Sons, New York, NY, 1973.
W. L. Wolfe, “Photon Number D* Figure of Merit," Applied Optics. Optical Society of America, Washington, DC, Vol. 12, No. 3, March 1973, pp. 619-621. К. M. Van Vliet, “Noise in Semiconductors and Photoconductors" Proceedings of the IRE, Institute of Radio Engineers, New York, NY, Vol. 46, 1958, p. 1004. P. W. Kruse, L. D. McGlauchlin, and R. B. McQuistan, Elements of Infrared Technology, John Wiley and Sons, New York, NY, 1962.
J. B. Johnson, “Thermal Agitation of Electricity in Conductors," Physical Review, American Institute of Physics, New York, NY, Vol. 32, 1928, p. 97. A. van der Ziel, “Noise in Junction Transistors," Proceedings of the IRE, Institute of Radio Engineers, New York, NY, Vol. 46, 1958, p. 1019.
R. L. Williams, “Speed and Sensitivity Limitations of Extrinsic Photoconductors," Injrared Physics, Pergamon Publishing, Elmsford, NY, Vol. 9, 1969, pp. 37-40. S. R. Bonello, “Detection Uncertainty," Infrared Physics, Pergamon Publishing, Elmsford, NY, Vol. 12, 1972, pp. 267-270.
, J. A. Jamieson ‘‘Preamplifiers for Nonimage-Forming Infrared Systems” Proceedings of the IRE, Institute of Radio Engineers, New York NY Vol 47 1959,p. 1522.* ,
. P. C. Caringella and W. L. Eisenman, “System for Low-Frequencies Noise Measurements, Review of Scientific Instruments, American Institute of Physics New York, NY, Vol. 33, 1962, p. 654.
R. F. Potter, J M Pernett.and A. B. Naugle, “The Measurement and Interpretation of Photodetector Parameters.” Proceedings of the IRE, Institute of Radio Engineers, New York, NY, Vol. 47, 1959, p. 1503.
A. E. Martin, Infrared Instrumentation and Techniques, Elsevier New York NY 1966.
W. L. Eisenman, R. L. Bates, and J. D. Merriam, “Black Radiation Detector.” Journal of the Optical Society of America, Optical Society of America, Washington, DC, Vol. 53. 1963, p. 729.
W. L. Eisenman and R. L. Bates, “Improved Black Radiation Detector, Journal of the Optical Society of America,*' Optical Society of America, Washington. DC. Vol. 54, 1964, p. 1280.
R. Stair, W. E. Schneider, W. R. Walters, and J. K. Jackson. “Some Factors Affecting the Sensitivity and Spectral Response of Thermoelectric (Radiometric) Detectors.” Applied Optics, Optical Society of America, Washington, DC, Vol. 4, 1965,p.703.
Naval Ocean Systems Center, San Diego, CA, Properties of Photoconductive Detectors, NOLC Report 564 (a continuing series begun 30 June 1952).
Infrared Industries, Santa Barbara,CA, Data Sheet No.698-A,CellD52-9P,PbSe. February 1961.
R. B. Emmons, Sylvania Electronics System, Western Division, Mountain View, CA, Private Communication, 1970.
A. F. Milton, Institute for Defense Analyses, Arlington, VA, Private Communication, 1970.
M. M. Blouke,C. B. Burgett, and R. L. Williams, “Sensitivity Limits for Extrinsic and Intrinsic Infrared Detectors," Infrared Physics. Pergamon Publishing, Elmsford, NY. Vol. 13, No. 1, January 1973, pp. 61-72.
M. A. Kinch, S. R. Bonello, “0.1 eV HgCdTe Photodetectors.” Infrared Physics, Pergamon Publishing, Elmsford, NY, Vol. 15, No. 2, May 1975, pp. 111,-124.
N. Sciar, G. J. Hoover, W. C. Milo, and R. L. Pierce, Rockwell International, Anaheim, CA, Private Communication, 1974.
H. Macurda and R. Baxter, Philco-Ford Corporation, Aeronutronic Division, Newport Beach, CA, Private Communication, 1974.
I. Melngailis and T. Harman, “Single-Crystal Lead-Tin Chalcogenides," Semiconductors and Semimetals, Infrared Detectors, R. K. Willardson and A. C. Beer (eds.). Vol. 5. 1970, p. 113.
E. Burstein, G. Pines and N. Sciar, “Optical and Photoconductive Properties of Silicon and Germanium," Photoconductive Conference, R. G. Breckenridge et al. (eds.). John Wiley and Sons, New York, NY, 1956, pp. 353-413.
E. H. Putley, “Far Infrared Photoconductivity,” Physics Status Solid! (B. Basic Research), Vol. 6, 1964, p. 571.
N. Sciar, Rockwell International, Anaheim, CA, Private Communication, 1975.
R. A. Soref, “Extrinsic IR Photoconductivity of Si Doped with B. Al, Ga, P, As or Sb,” Journal of Applied Physics, American Institute of Physics, New Yor ,
437
NY. Vol. 38. December 1967, p. 5 201.
M. Pines, D. Murphy, D. Alexander, R. Baron and M. Young, “Characteristics of Gallium Doped Silicon Infrared Detectors,” Technical Digest of the International Electron Devices Meeting, Washington, DC, December 1975, Institute of Electrical and Electronics Engineers. New York, NY, p. 502.
M. Pines and R. Baron, •‘Characteristics of Indium Doped Silicon Infrared Detectors,’* Proceedings 1974 National Electron Devices Meeting, Washington, DC. December 1974, Institute of Electrical and Electronics Engineers, New York, NY. p. 446.
N. Sclar, Rockwell International, Anaheim, CA, Private Communication, 1972,
D. Long, J. L. Schmit, “Mercury-Cadmium Telluride and Closely Related Alloys," Semiconductors and Semimetals. Academic Press, New York, NY, Vol. 5, 1970 pp. 175-255.
H. Halpert, B. L. Musicant, M. B. Reine, R. P. Murasako, J. W. Reynolds, and J. J. Schlickman, Honeywell Radiation Center (HRC), Lexington, MA, Private Communication, 1971.
S. Borrello, G. Roberts, B. Breazeale, G. Pruett, Texas Instruments, Dallas, TX, Private Communication, 1971.
С. B. Burgett, Texas Instruments, Dallas, TX, Private Communication, 1971.
Библиография
Andrews, D. H., R. M. Milton, and W. DeSorbo, “A Fast Superconducting Bolometer," Journal of the Optical Society of America, Optical Society of America, Washington, DC, Vol. 36, No. 9,1946, pp. 518-5 24.
Bell, R. L. and W. E. Spicer, “3-5 Compound Photocathodes: A New Family of Photoemitters with Greatly Improved Performance," Proceedings of the IEEE, Institute of Electrical and Electronics Engineers, New York, NY, Vol. 58, 1970, p. 1788.
Biard, J. R., and W. E. Spicer, “A Model of the Avalanche Photodiode ,"IEEE Transactions on Electron Devices, Institute of Electrical and Electronics Engineers, New York, NY, Vol. 14,1967, pp. 233-238.
Blouke, M. M., С. B. Burgett, R. L. Williams,“Sensitivity Limits for Extrinsic and Intrinsic Infrared Detectors," Infrared Physics, Pergamon Publishing, Elmsford, NY, Vol. 13, No. 1, January 1973, pp. 61-72.
BonfeUo.S. R. “Detection Uncertainty,” Infrared Physics. Pergamon Publishing, Elmsford, NY, Vol. 12, 1972, pp. 267-270.
Boyle, W. S. and K. F. Rodgers, Jr., “Performance Characteristics of a New Low- Temperature Bolometer," Journal of the Optical Society of America, Optical Society of America, Washington, DC, Vol. 49, No. 1, 1959, pp. 66-69.
Burstein, E., G. Pines and N. Sclar, “Optical and Photoconductive Properties of Silicon and Germanium," Photoconductive Conference, R. G. Breckemidge et al. (eds.), John Wiley A Sons, New York, NY, 1956, pp. 353-413.
Coringella, P. C., and W. L. Eisenman,“System for Low-Frequencies Noise Measurements," Review of Scientific Instruments, American Institute of Physics, New York, NY, Vol. 33,1962,p. 654.
Eisenman, W. L., and R. L. Bates, “Improved Black Radiation Detector,” journal of the Optical Society of America. Optical Society of America, Washington, DC. Vol. 54, 1964,p.1280.
Eisenman, W. L., R. L. Bates, and J. D. Merriam, “Black Radiation Detector ” Jouma! of the Optical Society of America, Optical Society of America, Washington DC Vol 53 1963, p. 729.'’
Emmons, R. B., and G. Lucovsky, “The Frequency Response of Avalanching Photodiodes,” IEEE Transactions on Electron Devices. Institute of Electrical and Electronics Engineers, New York, NY, Vol. 1 3, 1966, p. 297.
Golay, M. J. E., “Theoretical Considerations in Heat and Infra-Red Detection, with Particular Reference to the Pneumatic Detector,” p. 347, and “A Pneumatic Infra- Red Detector,” p. 357; Review of Scientific Instruments, American Institute of Physics, New York, NY, Vol. 18, No. 5, May 1947. Also, M. J. E. Golay, “The Theoretical and Practical Sensitivity of the Pneumatic Infra-Red Detector,” Review of Scientific Instruments, American Institute of Physics, New York, NY, Vol. 20, 1949, p.816.
Haitz, R. H., A. Goetzberger, R. M. Scarlett, and W. Schockley, Journal of Applied Physics, American Institute of Physics, New York, NY, Vol. 34, 1963, p. 1581.
Havens, R., "Theoretical Comparison of Heat Detectors," Journal of the Optical Society of America» Optical Society of America, Washington, DC, Vol. 36, 1946, p. 355.
Holter, M., S. Nudelman, G. Suits, W. Wolfe, and G. Zissis, Fundamentals of Infrared Technology, The Macmillan Co., New York, NY, 1962.
Hudson, R. D., Irfrared System Engineering, John Wiley and Sons, New York, NY, 1969, p. 357.
Infrared Industries, Santa Barbara, CA, Data Sheet No. 698-A, Cell D52-9P, PbSe, February 1961.
Jamieson, J. A., “Preamplifiers for Nonimage-Forming Infrared Systems,” Proceedings of the IRE, Institute of Radio Engineers, New York, NY, Vol. 47,1959, p. 1522.
Johnson, J. B., “Thermal Agitation of Electricity in Conductors," Physical Review, American Institute of Physics, New York, NY, Vol. 32, 1928, p. 97.
Johnson, К. M. “High-Speed Photodiodes Signal Enhancement at Avabnche Breakdown Voltage,” IEEE Transactions on Electron Devices, Institute of Electrical and Electronics Engineers, New York, NY, Vol. 12, 1965, p. 55.
Jones, R. Clark, D. Goodwin and G. Pullan, “Standard Procedures for Testing Infrared Detectors and for Describing Their Performance,” Office of Defense and Development Research and Engineering, Washington, DC, AD No. 257597, September 1960, pp. 1-45.
Kinch, M. A., S. R. Bonello, “0.1 eV HgCdTe Photodetectors," Infrared Physics, Pergamon Publishing, Elmsford, NY, Vol. 15, No. 2, May 1975, pp. 111-124.
Kruse, P. W., L. D. McGlauchlin, and R. B. McQuistan, Elements of Infrared Technology, John Wiley and Sons, New York, NY, 1962.
Long, D., ‘‘Generation—Recombination Noise Limited Detectivities of Impurity and Intrinsic Photoconductive 8-14 д Infrared Detectors,” Infrared Physics, Pergamon Press, Ltd, Oxford, England, Vol. 7, 1967, pp. 121-128.
Long, D., J. L. Schnut, “Mercury-Cadmium Telluride and Closely Related Alloys.' Semiconductors and Semimetals, Academic Press, New York, NY, Vol. 5, 1970, pp. 175-255.
Low, F. J., “Low-Temperature Germanium Bolometer,” Journal of the Optical Society of America, Optical Society of America, Washington, DC, Vol. 51, No. Il, 1961. pp. 1300-1304.
Low, F. J. and A. R. Hoffman, “The Detectivity of Cryogenic Bolometers,” Applied Optics, Optical Society of America, Washington, DC, Vol. 2, No. 6, 1963, pp. 649-650.
NY. Vol. 38. December 1967, p. 5201.
M. Pines, D. Murphy, D. Alexander, R. Baron and M. Young, “Characteristics of Gallium Doped Silicon Infrared Detectors,” Technical Digest of the International Electron Devices Meeting. Washington, DC, December 1975, Institute of Electrical and Electronics Engineers, New York, NY, p. 502.
M. Pines and R. Baron, “Characteristics of Indium Doped Silicon Infrared Detectors,’* Proceedings 1974 National Electron Devices Meeting, Washington, DC, December 1974, Institute of Electrical and Electronics Engineers, New York, NY.p. 446.
N. Sclar, Rockwell International, Anaheim, CA, Private Communication, 1972.
D. Long, J. L. Schmit, “Mercury-Cadmium Telluride and Closely Related Alloys,” Semiconductors and Semimetals. Academic Press, New York, NY, Vol. 5, 1970, pp. 175-255.
H. Halpert, B. L. Musicant, M. B. Reine, R. P. Murasako, J. W. Reynolds, and J. J. Schlickman, Honeywell Radiation Center (HRC), Lexington, M.A, Private Communication, 1971.
S. Borrello, G. Roberts, B. Breazeale, G. Pruett, Texas Instruments, Dallas, TX, Private Communication, 1971.
С. B. Burgett, Texas Instruments, Dallas, TX, Private Communication, 1971,
Библиография
Andrews, D. H., R. M. Milton, and W. DeSorbo, “A Fast Superconducting Bolometer,” Journal of the Optical Society of America, Optical Society of America, Washington, DC, Vol. 36, No. 9, 1946, pp. 518-5 24.
Bell, R. L. and W. E. Spicer, “3-5 Compound Photocathodes: A New Family of Photoemitters with Greatly Improved Performance,” Proceedings of the IEEE, Institute of Electrical and Electronics Engineers, New York, NY, Vol. 58, 1970,p. 1788.
Biard, J. R„ and W. E. Spicer, “A Model of the Avalanche Photodiode "IEEE Transactions on Electron Devices, Institute of Electrical and Electronics Engineers New York NY Vol. 14, 1967, pp. 233-238.
Blouke, M. M.,C. B. Burgett, R, L. Williams,“Sensitivity Limits for Extrinsic and Intrinsic Infrared Detectors,” Infrared Physics, Pergamon Publishing, Elmsford, NY Vol. 13 No. 1, January 1973, pp. 61-72.
Borrfello S. R. “Detection Uncertainty,” Infrared Physics, Pergamon Publishing, Elmsford, NY, Vol. 12, 1972, pp. 267-270.
Boyle, W. S. and K. F. Rodgers, Jr., “Performance Characteristics of a New Low- Temperature Bolometer,” Journal of the Optical Society of America, Optical Society of Amenca, Washington, DC, Vol. 49, No. 1, 1959, pp. 66-69
Burstein E., G. Pines and N. Sclar, “Optical and Photoconductive Properties of Silicon and Germamum/ Photoconductive Conference. R. G. Breckenridge et al. (eds.), John Wiley & Sons, New York, NY, 1956, pp. 353-413.
К$ептап>“$У$1ет for Low-Frequencies Noise Measurements,” „ *°f ДТАС Initrumcnu- American Institute of Physics, New York, NY, Vol.
1УО2, p. 654.
^"n^; ^^ ^Л L Bat“-“’'"proved Black Radiation Detector” Journal of the DM °' Optical Society of America, Washington, DC. Vol. 54,
p. I ZOU.
Eisenman, W. L., R. L. Bates, and J. D. Merriam,“Black Radiation Detector,” Journal of the Optical Society of America, Optical Society of America, Washington DC Vol 53 1963, p. 729.
Emmons, R. B., and G. Lucovsky, “The Frequency Response of Avalanching Photodiodes,” IEEE Transactions on Electron Devices, Institute of Electrical and Electronics Engineers, New York, NY, Vol. 1 3, 1966, p. 297.
Golay, M, J. E., “Theoretical Considerations in Heat and Infra-Red Detection, with Particular Reference to the Pneumatic Detector,” p. 347, and “A Pneumatic Infra- Red Detector,” p. 357; Review of Scientific Instruments, American Institute of Physics, New York, NY, Vol. 18, No. 5, May 1947. Also, M. J. E. Golay, “The Theoretical and Practical Sensitivity of the Pneumatic Infra-Red Detector,” Review of Scientific Instruments. American Institute of Physics, New York, NY, Vol. 20,1949, p. 816.
Haitz, R. H., A. Goetzberger, R. M. Scarlett, and W. Schockley, Journal of Applied Physics. American Institute of Physics, New York, NY, Vol. 34, 1963, p. 1581.
Havens, R., "Theoretical Comparison of Heat Detectors," Journal of the Optical Society of America, Optical Society of America, Washington, DC, Vol. 36, 1946, p. 355.
Holter, M., S. Nudelman, G. Suits, W. Wolfe, and G. Zissis, Fundamentals of Infrared Technology, The Macmillan Co., New York, NY, 1962.
Hudson, R. D., Infrared System Engineering, John Wiley and Sons, New York, NY, 1969, p. 357.
Infrared Industries, Santa Barbara, CA, Data Sheet No. 698-A, Cell D52-9P, PbSe, February 1961.
Jamieson, J. A., “Preamplifiers for Nonimage-Forming Infrared Systems,” Proceedings of the IRE, Institute of Radio Engineers, New York, NY, Vol. 47, 1959, p. 1522.
Johnson, J. B., “Thermal Agitation of Electricity in Conductors,” Physical Review, American Institute of Physics, New York, NY, Vol. 32, 1928, p. 97.
Johnson, К. M. “High-Speed Photodiodes Signal Enhancement at Avalanche Breakdown Voltage,” IEEE Transactions on Electron Devices, institute of Electrical and Electronics Engineers, New York, NY, Vol. 12, 1965, p. 55.
Jones, R. Clark, D. Goodwin and G. Pullan, “Standard Procedures for Testing Infrared Detectors and for Describing Their Performance,” Office of Defense and Development Research and Engineering, Washington, DC, AD No. 257597, September 1960, pp. 1-45.
Kinch, M. A., S. R. Bonello, “0.1 eV HgCdTe Photodetectors,” Infrared Physics, Pergamon Publishing, Elmsford, NY, Vol. 15, No. 2, May 1975, pp. 1)1-124.
Kruse, P. W., L. D. McGlauchlin, and R. B. McQuistan, Elements of Infrared Technology, John Wiley and Sons, New York, NY, 1962.
Long, D., -“Generation-Recombination Noise Limited Detectivities of Impurity and Intrinsic Photoconductive 8-14 p Infrared Detectors,” Infrared Physics, Pergamon Press, Ltd, Oxford, England, Vol. 7, 1967, pp. 121-128.
Long, D., J. L. Schmit, “Mercury-Cadmium Telluride and Closely Related Alloys.” Semiconductors and Semimetals, Academic Press, New York, NY, Vol. 5/1970, pp. 175-255.
Low, F. J., “Low-Temperature Germanium Bolometer,” Journal of the Optical Society of America. Optical Society of America, Washington, DC, Vol. 51, No. 11, 1961, pp. 1300-1304.
Low, F. J. and A. R. Hoffman, “The Detectivity of Cryogenic Bolometers," Applied Optics, Optical Society of America, Washington, DC, Vol. 2, No. 6, 1963,pp. 649-650.
Martin. A. E., Infrared Instrumentation and Techniques, Elsevier, New York. NY, 1966. McIntyre. R. J.. “Multiplication Noise in Uniform Avalanche Diodes,”IEEE Transactions on Electron Devices. Institute of Electrical and Electronics Engineers, New York, NY, Vol. 13, 1966, p. 164.
Melngailis, I., and T. Harman, “Single-Crystal Lead-Tin Chalcogenides,” Semiconductors and Semimetals, Infrared Detectors. R. K. Willardson and A. C. Beer (eds.), Vol. 5, 1970,p. 113.
Miller, S. L., “ionization Rates for Holes and Electrons in Silicon,” Physical Review, American Institute of Physics, New York, NY, Vol. 105, 1957, pp. 1246-1 249.
Morton, G. A., “Infrared Photoemission," Proceedings of the IRE, Institute of Radio Engineers, New York, NY, Vol. 47, 1959, p. 1467.
Moss, T. S., G. J. Burrell, and B. Ellis, Semiconductor Opto-Electronics, Halsted Press Division of John Wiley & Sons, New York, NY, 1973.
Naval Ocean Systems Center, San Diego, CA, Properties of Photoconductive Detectors, NOLC Report 564 (a continuing series begun 30 June 195 2).
North American Rockwell, Anaheim, CA Detector 632-1, Data Sheet 976, 9 March, 1972.
Optical Publishing Co ./The Pittsfield, MA, Optical Industry and Systems Directory, 1977, 23rd edition.
Petritz, R. L., "Fundamentals of Infrared Detection,” pp. 1459-1467; also G. R. Pruett and R. L. Petritz, “Detectivity and Preamplifier Considerations for Indium Antimonide Photovoltaic Detectors,” pp. 1524-1529; Proceedings of the IRE, Institute of Radio Engineers, New York, NY, Vol. 47, September 1959.
Pines, M., and R. Baron, "Characteristics of Indium Doped Silicon Infrared Detectors,” Proceedings of the 1974 National Electron Devices Meeting, Washington, DC, December 1974, Institute of Electrical and Electronics Engineers, New York, NY, p. 446.
Pines, M., D. Murphy, D. Alexander, R. Baron and M. Young, “Characteristics of Gallium Doped Silicon Infrared Detectors," Technical Digest of the IEEE, The Electron Devices Meeting, Washington, DC, December 1975, Institute of Electrical and Electronics Engineers, New York, NY, p. 502.
Potter, R. F., J. M. Pernett, and A. B. Naugle, “The Measurement and Interpretation of Photodetector Parameters," Proceedings of the IRE, Institute of Radio Engineers, New York, NY, Vol. 47,1959. p. 1503.
Putley, E. H., "Far Infrared Photoconductivity,” Physica Status Solidi (B, Basic Research), Vol. 6,1964, p. 571.
Putley, E. H., “The Pyroelectric Detector," Semiconductors and Semimetals, R. K. Willardson, A. C. Beer (eds.), Academic Press, New York, NY, Vol. 5, 1970, pp. 259- 285.
Scheer, J. J. and J. Van Loar, “GaAs-Cs: A New Type of Photoemitter," Solid State Communications, Pergamon Press, Elmsford, NY, Vol. 3, 1965, p. 189.
Smith, R. A., F. E. James, and R. P. Chasmar, The Detection and Measurement of Infrared Radiation, Clarendon Press, Oxford, England, 1968.
Sonnenberg, H., “Low-Work-Function Surfaces for Negative-Electron-Affinity Photoemitters," Applied Physics Letters, American Institute of Physics, New York, NY, Vol. 14,1969, p. 289.
Soref, R. A., "Extrinsic JR Photoconductivity of Si Doped with B, Al, Ga, P, As or Sb," Journal of Applied Physics. American Institute of Physics, New York NY Vol. 38, December 1967, p. 520.
Stair, R., W. E. Schneider, W. R. Walters, and J. K. Jackson, "Some Factors Affecting the Sensitivity and Spectral Response of Thermoelectric (Radiometric) Detectors," 440
Applied Optics, Optical Society of America, Washington, DC, Vol. 4, 1965, p. 703.
Tolman, R. C., The Principles of Statistical Mechanics. Clarendon Press Oxford England 1938, pp. 94,95,97, 145, 163.
Uebbing, J. J., and R. L. Bell, “Improved Photoenutters Using AsAs InGaAs,” Proceedings of the IEEE, Institute of Electrical and Electronics Engineers, New York, NY Vol 56 1968, p. 1624.
Van Vliet, К. M., “Noise in Semiconductors and Photoconductors;’ Proceedings of the IRE, Institute of Radio Engineers, New York, NY, Vol. 46, 1958, p. 1004.
van der Ziel, A., “Noise in Junction Transistors,” Proceedings of the IRE. Institute of Radio Engineers, New York, NY, Vol. 46, 1958, p. 1019.
Williams, R. L., “Speed and Sensitivity Limitations of Extrinsic Photoconductors” Infrared Physics, Pergamon Publishing, Elmsford, NY, Vol. 9, 1969, pp. 37-40.
Wolfe, W. L., “Photon Number D* Figure of Merit,” Applied Optics, Optical Society of America, Washington, DC, Vol. 12, No. 3, March 1973, pp. 619-621.
Zworykin, V. K., and E. G. Ramberg, Photoelectricity and Its Applications, John Wiley and Sons, New York, NY, 1949.
К гл. 13
Цитируемая литература
W. S. Boyle and G. E. Smith, “Charge Coupled Semiconductor Devices,” Bell System Technical Journal, American Telephone and Telegraph, New York, NY, Vol. 49, April 1970.
S. M. Sze, Physics of Semiconductor Devices, John Wiley and Sons, New York, NY, 1969.
С. H. Sequin and M. F. Tompsett, “Charge Transfer Devices,” Advances in Electronics and Electron Physics, Academic Press, New York, NY, Supplement 8, 1975.
A. J. Steckl, R. D. Nelson, В. T. French, R. A. Gudmundsen and D. Schechter, “Application of CCDs to Infrared Detection and Imaging," Proceedings of the IEEE, Institute of Electrical and Electronics Engineers, New York, NY, Vol. 63, January 1975.
R. J. Strain and N. L. Schryer, “A Non-Linear Diffusion Analysis of CCD Transfer," Bell System Technical Journal, American Telephone and Telegraph, New York, NY, Vol. 50, 1971.
H. S. Lee and L. G. Heller, “Charge Control Method of CCD Transfer Analysis,” IEEE Transactions on Electron Devices, Institute of Electrical and Electronics Engineers, New York, NY, Vol. ED-19, 1972, p. 1270.
С. K. Kim and M. Lenzlinger, “Charge Transfer in CCDs," Journal of Applied Physics, Argonne Physics Laboratory, Argonne, IL, Vol. 42, August 1971, pp. 3586-3594.
J. E. Cames, W. F. Kosonocky, and E. G. Ramberg, "Free Charge Transfer in CCDs," IEEE Transactions on Electron Devices, Institute of Electrical and Electronics Engineers, New York, NY, Vol. ED-19, June 1972, pp. 798-808.
Y. Daimon, A. M. Mohsen, and T. C. McGill, “Final Stage of the Charge Transfer Process in CCDs," IEEE Transactions on Electron Devices, Institute of Electrical and Electronics Engineers, New York, NY, April 1974, pp. 266-272.
J. E. Cames, W. F. Kosonocky, and E. G. Ramberg, “Drift Aiding Fringing Fields in CCDs,” IEEE Journal of Solid State Circuits, Institute of Electrical and Electronics Engineers, New York, NY, Vol. SC-6, October 1971, pp. 322-326.
MF Tompsett, G. F. Amelio, and G. E. Smith, “Charge Coupled 8-Bit Shift " Register," Applied Physics Letters, American Institute of Physics, New York, NY, Vol. 17, August 1970.
p С К Kim, and E. H. Snow, “Р-Channel CCDs with Resistive Gate Structure,” Applied Physics Letters, American Institute of Physics, New York, NY, Vol. 20, 1972, p. 514.
W. J. Bertram, A. M. Mohsen, F. J. Morris, D. A. Sealer, С. H. Sequin, and M. F. Tompsett, “A Three-Level Metallization Three-Phase CCD,” IEEE Transactions on Electron Devices, institute of Electrical and Electronics Engineers, New York, NY, Vol. ED-21, December 1974, p. 758.
J. E. Carnes, W. F. Kosonocky, and P. A. Levine, “Measurements of Noise in CCDs,” RCA Review, RCA Research and Engineering, RCA, Princeton, NJ, Vol. 34, December 1973, p. 5 5 3.
M. F. Tompsett and E. J. Zimany, “Use of CCDs for Delaying Analog Signals,” IEEE Journal of Solid State Circuits, Institute of Electrical and Electronics Engineers, New York, NY, Vol. SC-8, 1973, p. 151.
С. H. Sequin, and A. M. Mohsen, “Linearity of Electrical Charge Injection into CCDs,” IEEE Journal of Solid State Circuits, Institute of Electrical and Electronics Engineers, New York, NY, Vol. SC-10, 1975.
J. E. Carnes, and W. F. Kosonocky, “Noise Sources in CCDs,” RCA Review, RCA Research and Engineering, RCA, Princeton, NJ, Vol. 33, June 19 72, p. 3 27.
D. D. Wen. J. M. Early, С. K. Kim, and G. F. Amelio, “A Distributed Floating Gate Amplifier in CCDs,” Digest of Technical Papers, ISSC Conference, Philadelphia, PA, Institute of Electrical and Electronics Engineers, New York, NY, February 1975, p. 24.
G. F. Amelio, “The Impact of Large CCD Image Sensing Area Arrays,” Proceedings of the 1974 CCD Applications International Conference, Edinburgh, Scotland,October 1974, University of Edinburgh, El 18, 9JZ, Great Britain.
M. F- Tompsett, “Charge Transfer Devices,” Journal of Vacuum Science Technology, American Vacuum Society, American Institute of Physics, New York, NY, Vol. 9, 1972, p. 1166.
D. A. Sealer, С. H. Sequin, and M. F. Tompsett, “High Resolution Charge Coupled Image Sensors,” 1974 IEEE Intercon, Institute of Electrical and Electronics Engineers, New York, NY, Session 2, March 1974.
W. F. Kosonocky and J. E. Carnes, “Two-Phase CCDs with Overlapping Polysilicon and Aluminum Gates," RCA Review, RCA Research and Engineering, RCA, Princeton, NJ, Vol. 34, March 1973, p. 164.
M. F. Tompsett, “The Quantitative Effects of Interface States on the Performance of CCDs,” IEEE Transactions on Electron Devices, Institute of Electrical and Electronics Engineers, New York, NY, Vol. ED-20, January 1973, p. 45.
D. F. Barbe, “Imaging Devices Using the Charge-Coupled Concept," Proceedings of the IEEE, Institute of the Electrical and Electronics Engineers, New York, NY, Vol. 63, January 1975, pp. 38-67.
Y. T. Chan, В. T. French, and P. E. Green, “Extremely High Speed CCD Analog Delay Line, Proceedings of the 1975 CCD Applications International Conference, San Diego, CA, October 1975, Naval Oceans System Center. San Diego, CA.p.389.
D. F. Barbe, “Noise and Distortion Considerations in CCDs," Electronics Letters. Institute of Electrical Engineers, Stevenage, Herts. England, Vol. 8, April 1972, p. 209.
442
TL A. M., Mohsen, M. F. Tompsett, and С. M. Sequin, “Noise Measurements in CCDs,” IEEE Transactions on Electron Devices, Institute of Electrical and Electronics Engineers, New York, NY, Vol. ED-22, May 1975, p. 209.
R. W. Brodersen, and S. P. Emmons, “Noise in Buried Channel CCDs,” IEEE Journal of Solid-State Circuits, Institute of Electrical and Electronics Engineers, New York, NY, Vol. SC-11, February 1976, p. 147.
A. J. Steckl, “Low Temperature Silicon CCD Operation,” Proceedings of the 1975 CCD Applications International Conference, San Diego, CA, October 1975, Naval Oceans System Center, San Diego, CA, p. 383.
L. J. M. Esser, “Peristaltic CCD,” Electronics Letters, Institution of Electrical Engineers, Stevenage, Herts, England, Vol. 8, December 1972, p. 620.
Y. T. Chan, Rockwell International, Anaheim, CA, Personal Communication 1976.
C. K..Kim, and R. H. Dyck, “Low Light Level Imaging with Buried Channel CCDs," Proceedings of the IEEE, Institute of Electrical and Electronics Engineers, New York, NY, Vol. 61,1973,p. 1146.
M. F. Tompsett, W. J. Bertram, D. A. Sealer, and С. H. Sequin. “Charge Coupling Improves its Image, Challenging Video Camera Tubes " Electronics Vol. 46, No. 2, 1973, p. 162.
С. H.-Sequin, D. A. Sealer, W. J. Bertram, R. R. Buckley, F. J. Morris, T. A. Shankoff and M. F. Tompsett, “Charge Coupled Image Sensing Devices Using Three Levels of Polysilicon,” Digest of Technical Papers, International Solid State Circuits Conference, Philadelphia, PA, 1974, Institute of Electrical and Electronics Engineers, New York, NY, 1974.
D. F. Barbe and M. H. White, “A Tradeoff Analysis for CCD Area Imagers: Front-Side Illumination Interline Transfer vs. Back-Side Illuminated Frame Transfer,” Proceedings of the 1973 CCD Applications Conference, Naval Oceans System Center, San Diego, CA, September 1973.
R. L. Rodgers, “A 512 X 320 Element Silicon Imaging Device,” Digest of Technical Papers, International Solid State Circuits Conference, Philadelphia, PA, 1975, Institute of Electrical and Electronics Engineers, New York, NY, 1975.
J. M. Chambers, D. J. Sauer, and W. F. Kosonocky, “CCDs as Drum and Disc Equivalents,” Western Electronics Show and Convention, Los Angeles, CA, 1974. See Roger Melen and Dennis Buss (eds.), Charge-Coupled Devices: Technology and Applications, IEEE Press, New York, NY, 1977.
H. A. R. Wegener, “Appraisal of the Charge Transfer Technologies for Peripheral Memory Applications,” Proceedings of the 1973 CCD Applications International Conference, San Diego, CA, 1973, Nava! Oceans System Center, San Diego, CA, p. 43.
W. E. Tchon, and J. S, T. Huang, “256 Bit Repeater Chained 2-Phase CCD Digital Shift Register,” Proceedings of the 1973 CCD Applications International Conference, San Diego, CA, 1973, Naval Oceans Systems Center, San Diego, CA, p. 73.
S. Chou, “Design of a 16 384-Bit Serial Charge Coupled Memory Device," IEEE Transactions on Electron Devices, Institute of Electrical and Electronics Engineers, New York, NY, Vol. ED-23, February 1976, p. 78.
W. E. Tchon, B. R. Elmer, A. J. Benboer, S. Negishi, K. Hirabayashi, I. Nojima, and S. Kohama, “4096-Bit Serial Decoded Multiphase Serial-Parallel-Serial CCD Memory," IEEE Transactions on Electron Devices, Institute of Electrical and Electronics Engineers, New York, NY, Vol. ED-23, February 1976, p. 93.
S. D. Rosenbaum, С. H. Chan, J. T. Caves, S. C. Poon, and R. W. Wallace, “A
43.44.45.46.47.48.49.50.51.52.53.54.55.56.44443.44.45.46.47.48.49.50.51.52.53.54.55.56.44416 384-Bit High Density CCD Memory,” IEEE Transactions on Electron Devices, Institute of Electrical and Electronics Engineers, New York, NY, Vol. ED-23, February 1976,p. 101.
43.
44.
45.
46.
47.
48.
49.
50.
51.
52.
53.
54.
55.
56.
444
43.
44.
45.
46.
47.
48.
49.
50.
51.
52.
53.
54.
55.
56.
444
A. M. Mohsen, M. F. Tompsett, E. N. Fuls, and E. J. Zimany, “A 16-K Bit Block Addressed Charge Coupled Memory Device,” IEEE Transactions on Electron Devices, Institute of Electrical and Electronics Engineers, New York, NY, Vol. ED-23. February 1976, p. 108.
M. Mohsen, R. W. Bower, E. M. Wilder, and D. M. Erb, “A 64-K Bit Block Addressed Charge-Coupled Memory,” IEEE Transactions on Electron Devices, Institute of Electrical and Electronics Engineers, New York, NY, Vol. ED-23, February 1976, p. 117.
A. T. Salama, “Two-Phase MNOS CCD,” Electronics Letters, Institution of Electrical Engineers, Stevenage, Herts, England, Vol. 8, 1972, p. 21.
Y. T. Chan, В. T. French, and R. A. Gudmundsen, “Charge Coupled Memory Device,” Applied Physics Letters, American Institute of Physics, New York NY Vol. 22, 1973, p. 650.
M. H. White, D. R. Lampe, and J. L. Fagan, “CCD and MNOS Devices for Programmable Analog Signal Processing and Digital Nonvolatile Memory,” Digest of Technical Papers, International Electron Device Meeting, Washington, DC, 1973, Institute of Electrical and Electronics Engineers, New York, NY, p. 130. M. H. White, D. R. Lampe, J. L. Fagan, and D. A. Barth, “A Nonvolatile Charge- Addressed Memory Cell,” Digest of Technical Papers, International Electron Device Meeting, Washington, DC, 1974, Institute of Electrical and Electronics Engineers, New York, NY, p. 115,
D. Buss, and W. H. Bailey, “Applications of Charge Transfer Devices to Communication,” Proceedings of the 1973 CCD Applications International Conference, San Diego, CA, October 1973, Naval Oceans System Center, San Diego, CA, p. 83.
H. White, and D. R. Lampe, “CCD Analog Signal Processing,” Proceedings of the 1975 CCD Applications International Conference, San Diego, CA, October 1975, Naval Oceans System Center, San Diego, CA, p. 189.
J. Whitehouse, “Signal Processing with Charge Transfer Devices," IEEE Transactions on Electron Devices, Institute of Electrical and Electronics Engineers, New York, NY, Vol. ED-23, February 1976, p. 132.
F. Barbe, and W. D. Baker, “Signal Processing Using the Charge Coupled Concept,” Microelectronics Journal, Plenum Publishing, New York, NY, Vol. 7, December 1975, p. 36.
A. Aguilera, A. J. Steckl and N. Sclar, “Low-Cost Arrays for the Detection of Infrared (LADIR),” Air Force Avionics Laboratory, Wright-Patterson Air Force Base, OH, Report No. AFAL-TR-76-13.
J. Steckl, and T. Koehler, “Theoretical Analysis of Directly Coupled 8-12 pm Hybrid 1RCCD Serial Scanning,” Proceedings of the 1973 CCD Applications International Conference, San Diego, CA, September-October 1973, Naval Oceans System Center, San Diego, CA, pp. 247-258.
H. Bailey, W. Eversole, J. Holmes, W. Arens, W. Hoover, J. McGhee, and R. Ridings, “CCD Applications to Synthetic Aperture Radar,” Proceedings of the 1975 CCD Applications International Conference, San Diego, CA, October 1975, Naval Oceans System Center, San Diego, CA, p. 301.
LLM. Erb, and K. Nummedal, “Buried Channel CCD for Infrared Applications,” Proceedings of the 1973 CCD Applications Conference, San Diego, CA, Sep-
L
L
57.58.59.60.61.62.63.64.65.66.67.68.69.70.71.57.58.59.60.61.62.63.64.65.66.67.68.69.70.71.tember 1973, Naval Oceans System Center, San Diego, CA, pp. 157-167.
57.
58.
59.
60.
61.
62.
63.
64.
65.
66.
67.
68.
69.
70.
71.
57.
58.
59.
60.
61.
62.
63.
64.
65.
66.
67.
68.
69.
70.
71.
K. Nummedal, J. C. Fraser, S. C. Su, R. Baron, and R. M. Finnila, “Extrinsic Silicon Monolithic Focal Plan Array Technology and Applications," Proceedings 1975 CCD Applications International Conference, San Diego, CA, October 1975, Naval Oceans System Center, San Diego, CA, p. 79.
J. M. Tracy, A. M. Andrews, С. C. Wang, M. Ewbank, and J. T. Longo, “Hybrid Infrared Focal Plane Construction and Operation," Device Research Conference, Ithaca, NY, June 1977, IEEE Transactions on Electron Devices, Institute of Electrical and Electronics Engineers, New York, NY, Vol. ED-24, September 1977, p. 1194.
R. D. Nelson, “Accumulation-Mode CCD," Applied Physics Letters, American Institute of Physics, New York, NY, Vol. 35, November 1974, pp. 568-570.
J. C. Fraser, D. H. Alexander, R. M. Finnila, and S. C. Su, “An Extrinsic SiCCD for Detecting Infrared Radiation," Digest of Technical Papers, International Electron Device Meeting, Washington, DC, December 1973, Institute of Electrical and Electronics Engineers, New York, NY, pp. 442-445.
P. W. Kruse, L. D. McGlauchlin, and R. B. McQuistan, Elements of Infrared Technology, John Wiley and Sons, New York, NY, 1962.
R. K. Willardson, and A. C. Beer (eds.), Semiconductors and Semimetals, Academic Press, New York, NY, Vol. 5, 1970.
D. Thom, R. E. Eck, J. D. Phillips, and J. B. Scorso, “InSb CCDs and other MIS Devices for Infrared Applications," Proceedings 1975 CCD Applications Conference, San Diego, CA, October 1975, Naval Oceans System Center, San Diego, CA, p. 31.
C. Kim, “InSb MIS Technology and CID Devices," Proceedings 1975 CCD Applications Conference, San Diego, CA, October 1975, Naval Oceans System Center, San Diego,CA, p. 1.
H. K. Burk and G. J. Michon, “Charge-Injection Imaging: Operating Techniques and Performance Characteristics," Proceedings of the IEEE, Institute of Electrical and Electronics Engineers, New York, NY, Vol. ED-23, February 1976, p. 189. J. C. Kim, J. M. Hooker, and P. E. Howard, “Noise Measurements in InSb CID Linear Arrays and Operation of Two Dimensional InSb CID Arrays," Device Research Conference, Salt Lake City, UT, June 22, 1976, IEEE Transactions on Electron Devices, Institute of Electrical and Electronics Engineers, New York, NY, Vol. ED-23, No. 11, November 1976, p. 1257.
J. C. Kim, General Electric, Syracuse, NY, Private Communication, 1976.
J. Leonberger, A. L. McWhorter, T. C. Harman, and C. Hurwitz, “PbS MIS Devices for Charge Coupled Infrared Imaging Applications," IEEE Transactions on Electron Devices, Institute of Electrical and Electronics Engineers, New
York, NY, Vol. ED-21, 1974, p. 738.
F. Tao, J. R. Ellis, L. Kost, and A. Doshier, “Feasibility Study of PbTe and РЬО.76^по.24Те Infrared Charge Coupled Imager," Proceedings of the CCD Applications Conference, San Diego, CA, September-October 1973, Naval Oceans System Center, San Diego,GA, pp. 259-268.
K. Schroeder, “A Two-Phase Germanium CCD," Applied Physics Letters., American Institute of Physics, New York, NY, Vol. 25, 1974, p. 747.
S. Kohn, S. A. Roosild, F. D. Sheperd, and A. C. Yang, “Infrared Imaging with Monolithic, CCD Addressed Schottky Barrier Detector Arrays: Theoretical and Experimental Arrays," Proceedings 1975 CCD Applications International Conference, San Diego, CA, October 1975, Naval Oceans System Center, San
72.73.74.75.76.77.78.79.80.81.82.83.84.85.72.73.74.75.76.77.78.79.80.81.82.83.84.85.Diego. CA. p. 59.
72.
73.
74.
75.
76.
77.
78.
79.
80.
81.
82.
83.
84.
85.
72.
73.
74.
75.
76.
77.
78.
79.
80.
81.
82.
83.
84.
85.
E. S. Kohn, "A Charge Coupled Infrared Imaging Array with Schottky Barrier Detectors,** Proceedings of the IEEE, Institute of Electrical and Electronics Engineers, New York, NY, Vol. ED-23, February 1976, p. 207.
J. Cohen, J. Vilms, and R. Archer, “Investigation of Schottky Barriers for Optical Detection and Cathodic Emission,** Air Force Cambridge Research Laboratory, L. G. Hanscomb Field, Bedford, MA, Report No. AFCRL-68-0651 and AFCRL-69-0287.
A. J. Steckl, “Infrared CCDs,’’ Infrared Physics, Pergamon Press, Elmsford, NY, Vol. 16, January 1976, pp. 65-73.
A. F. Milton and M. R. Hess, “Series-Parallel Scan JRCID Focal Plane Array Concept,’* Proceedings 1975 CCD Applications International Conference, San Diego, CA, October 1975, Naval Oceans System Center, San Diego, CA, p. 71. D. E. French, J. A. Sekula, and J. M. Hartman, “Off-Focal-Plane Time Delay and Integration Using CCDs,** Digest of Technical Papers, International Electron Device Meeting, Washington, DC, December 1974, Institute of Electrical and Electronics Engineers, New York, NY, pp. 437-441.
S. P. Emmons, T. F. Cheek, J. T. Hall, P. W. Van Atta, and R. Balcerak, “A CCD Multiplexer with Forty AC Coupled Inputs," Proceedings 1975 CCD Applications Conference, San Diego, CA, October 1975, Naval Oceans System Center, San Diego, CA, pp. 43-52.
W. Grant, R. Balcerak, P. Van Atta, and J. T. Hall, “Integrated CCD-Bipolar Structure for Focal Plane Processing of IR Signals,” Proceedings 1975 CCD Applications Conference, San Diego, CA, October 1975, Naval Oceans System Center, San Diego, CA, pp. 53-58.
J. Steckl, “Injection Efficiency in Hybrid IRCCDs," Proceedings 1975 CCD Applications Conference, San Diego, CA, October 1975, Naval Oceans System Center, San Diego, CA, pp. 85-91.
M. Andrews, et al., “Backside-Illuminated Pb1-xSnxTe Heterojunction Photodiode,’’ Applied Physics Letters, American Institute of Physics, New York, NY, Vol. 26, No. 8,15 April 1975, p. 438.
P. Richman, MOS Field-Effect Transistors and Integrated Circuits, John Wiley and Sons, New York, NY, 1973.
Shott and R. Melen, “The Razorback CCD,” Digest, 1975 ISSC Conference, Philadelphia, PA, Institute of Electrical and Electronics Engineers, New York, NY, February 1975.
W. Ludwig and R. L. Watters, “Drift and Conductivity Mobility in Silicon,” Physical Review, American Physical Society, New York, NY, Vol. 101,15 March 1956, p. 1699.
L. Long and J. L. Schmit, “Mercury-Cadmium Telluride and Closely Related Alloys ” Semiconductors and Semimetals, R. K. Willardson and A. C. Beer (eds.), Academic Press, New York, NY, Vol. 5, 1970.
P. Emmons, and D. D. Buss, “Techniques for Introducing a Low Noise Fat Zero in CCDs," Device Research Conference, Boulder, CO, June 1973, IEEE Transactions on Electron Devices, Institute of Electrical and Electronics Engineers, New York, NY, Vol. ED-20, December 1973,p.1172.
Библиография
Amelio, G. F., “The Impact of Large CCD Image Sensing Area Arrays,’’ Proceeding! of the 1974 CCD Applications International Conference, Edinburgh, Scotland, October 1974, University of Edinburgh, El 18, 9JZ, Great Britain.
Andrews, A. M., et al., “Backside-Illuminated Pb1-xSnxTe Heterojunction Photodiode,*’ Applied Physics Letters, American Institute of Physics, New York, NY, Vol. 26, No. 8, 15 April 1975, p. 438.
Aguilera, R. A., A. J. Steckl, and N. Sclar, “Low-Cost Array for the Detection of Infrared (LADIR),” Air Force Avionics Laboratory, Wright-Patterson Air Force Base, OH, Report No. AFAL-TR-76-13.
Bailey, W. H., D. D. Buss, L. R. Hite, and M. W. Whatley, “Radar Video Processing Using the CCD Chirp Z Transform,’’ Proceedings of the 1975 CCD Applications International Conference, San Diego, CA, October 1975, Naval Oceans System Center, San Diego, CA.
Bailey, W. H., W. Eversole, J. Holmes, W. Arens, W. Hoover, J. McGhee, and R. Ridings, “CCD Applications to Synthetic Aperture Radar,” Proceedings of the 1975 CCD Applications International Conference, San Diego, CA, October 1975, Naval Oceans System Center, San Diego, CA, p. 301.
Barbe, D. F., “Imaging Devices Using the Charge-Coupled Concept," Proceedings of the IEEE, Institute of Electrical and Electronics Engineers, New York, NY, Vol. 63, January 1975.
Barbe, D. F., “Noise and Distortion Considerations, in CCDs,” Electronics Letters, Institution of Electrical Engineers, Stevenage, Herts, England, Vol. 8, April 1972.
Barbe, D. F., and W. D, Baker, “Signal Processing Using the Charge Coupled Concept,” Microelectronics Journal, Plenum Publishing, New York, NY, Vol, 7, December 1975, p. 36.
Barbe, D. F., and M. H. White, “A Tradeoff Analysis for CCD Area Imagers: Front-Side Illumination Interline Transfer vs. Back-Side Illuminated Frame Transfer,” Proceedings of the 1973 CCD Applications Conference, Naval Oceans System Center, San Diego, CA, September 1973.
Berglund, C. N., and К. K. Thornber, “Incomplete Transfer in Charge-Transfer Devices,” IEEE Journal of Solid-State Circuits, Institute of Electrical and Electronics Engineers, New York, NY, Vol. SC-8, April 1973.
Bertram, W. J., A. M. Mohsen, F. J. Moms, D. A. Sealer, С. H. Sequin, and M. F. Tompsett, “A Three-Level Metallization Three-Phase CCD,” IEEE Transactions on Electron Devices, Institute of Electrical and Electronics Engineers, New York, NY, Vol. ED-21, December 1974, p. 758.
Boyle, W. S., and G. E. Smith, “Charge Coupled Semiconductor Devices,” Bell System Technical Journal, American Telephone and Telegraph, New York, NY, Vol. 49, April 1970.
Brodersen, R. W., and S. P. Emmons, “Noise in Buried Channel CCDs" IEEE Journal of Solid-State Circuits, Institute of Electrical and Electronics Engineers, New York, NY, Vol. SC-11, February 1976.
Burke, H. K., and G. J. Michon, “Charge-Injection Imaging: Operating Techniques and Performance Characteristics,” Proceedings of the IEEE, Institute of Electrical and Electronics Engineers, New York, NY, Vol. ED-23, February 1976.
Burstein, E., G. Pines, and N. Sclar, “Optical and Photoconductive Properties of Silicon and Germanium,” Photoconductive Conference, R. G. Breckenridge, et al. (eds.),
John Wiley and Sons, New York, NY, 1956.
Buss D D and W H. Bailey, “Applications of Charge Transfer Devices to Communication “ Proceedings of the 1973 CCD Applications International Conference. San Diego CA, October 1973, Naval Oceans System Center, San Diego, CA, p. 83.
Carnes J E.* and W. F. Kosonocky, “Noise Sources in CCDs,” RCA Review, RCA . Research Engineering, RCA, Princeton, NJ, Vol. 33, June 1972, p. 327.
Carnes, J.E., W. F. Kosonocky, and P. A. Levine, “Measurements of Noise in CCDs,” RCA Review, RCA Research and Engineering, RCA, Princeton, NJ, Vol. 34, December 1973, p. 553.
Cames, J. E., W. F. Kosonocky, and E. G. Ramberg, “Drift Aiding Fringing Fields in CCDs,” IEEE Journal of Solid-State Circuits, Institute of Electrical and Electronics Engineers, New York, NY, Vol. SC-6, October 1971, pp. 322-326.
Carnes, J. E„ W. F. Kosonocky, and E. G. Ramberg, “Free Charge Transfer in CCDs," IEEE Transactions on Electron Devices. Institute of Electrical and Electronics Engineers, New York, NY. Vol. ED-19, June 1972, pp. 798-808.
Chambers, J. M., D. J. Sauer, and W. F. Kosonocky, “CCDs as Drum and Disc Equivalents,” Western Electronics Show and Convention, Los Angeles, CA, 1974. See Roger Melen and Dennis Buss (eds.), Charge-Coupled Devices: Technology and Applications, IEEE Press, New York, NY, 1977.
Chan, Y. T., В. T. French, and P. E. Green, “Extremely High Speed CCD Analog Delay Line,” Proceedings of the 1975 CCD Applications International Conference, San Diego, CA, October 1975, Naval Oceans System Center, San Diego, CA, p. 389.
Chan, Y. T., В. T. French, and R. A. Gudmundsen, “Charge Coupled Memory Device," Applied Physics Letters, American Institute of Physics, New York, NY, Vol. 22, 1973, p. 650.
Chou, S., “Design of a 16 384-Bit Serial Charge Coupled Memory Device,” IEEE Transactions on Electron Devices. Institute of Electrical and Electronics Engineers, New York, NY, Vol. ED-23, February 1976, p. 78.
Cohen, J., J. Vilms, and R. Archer, “Investigation of Schottky Barriers for Optical Detection and Cathodic Emission," Air Force Cambridge Research Laboratory, L. G. Hanscomb Field, Bedford, MA, Report No. AFCRL-68-0651 and AFCRL-69-0287.
Daimon, Y., A. M. Mohsen, and T. C. McGill, “Final Stage of the Charge Transfer Process in CCDs," IEEE Transactions on Electron Devices. Institute of Electrical and Electronics Engineers, New York, NY, Vol. ED-21, April 1974, pp. 266-272.
Dixon, J. R., “Anomalous Electrical Properties of P-type Indium Arsenide,” Journal of Applied Physics. Argonne Physics Laboratory, Argonne, IL, Vol. 30, 1959.
Emmons, S. P., and D. D. Buss, “Techniques for Introducing a Low Noise Fat Zero in CCDs,” Device Research Conference, Boulder, CO, June 1973, IEEE Transactions on Electron Devices, Institute of Electrical and Electronics Engineers, New York, NY, Vol. ED-20, December 1973, p. 1172.
Emmons, S. P., T. F. Cheek, J. T. Hall, P. W. Van Atta, and R. Balcerak, “A CCD Multiplexer with Forty AC Coupled Inputs,” Proceedings of the 1975 CCD Applications Conference, San Diego, CA, October 1975, Naval Oceans System Center, San Diego, CA, pp. 43-52.
Engeler, W. E., J. J. Tiemann, and R. D. Baertsch, “Surface Charge Transport in a Multi- e ment ^Charge Transfer Structure,” Journal of Applied Physics, Argonne Physics Laboratory, Argonne, IL, Vol. 43,1972, p. 2277.
Erb D. M., and K. Nummedal, “Buried Channel CCDs for Infrared Applications,” ^ V73 CC° АР?им1^ Conference, San Diego, CA, September 1973, Naval Oceans System Center, San Diego, CA, pp. 157-167.
Esser, L. J. M., “Peristaltic CCD,” Electronics Letters, Institution of Electrical Engineers, Stevenage, Herts, England, Vol. 8, December 1972.
Fraser, J. C., D. H. Alexander, R. M. Finnila, and S.C. Su, “An Extrinsic SiCCD for Detecting Infrared Radiation,” Digest of Technical Papers, international Electron Device Meeting, Washington, DC, December 1973, Institute of Electrical and Electronics Engineers, New York, NY, pp. 442-445.
French, D. W., J. A. Sekula, and J. M. Hartman, “Off-Focal-Plane Time Delay and Integration Using CCDs," Digest of Technical Papers, International Electron Device Meeting, Washington, DC, December 1974, Institute of Electrical and Electronics Engineers, New York, NY, pp. 437-441.
Grant, W., R. Balcerak, P. Van Atta, and J. T. Hall, “Integrated CCD-Bipolar Structure for Focal Plane Processing of IR Signals,” Proceedings of the 1975 CCD Applications Conference, San Diego, CA, October 1975, Naval Oceans System Center, San Diego, CA, pp. 53-58.
Hilsum, C., and A. C. Rose-Innes, Semiconducting Ш-V Compounds, Pergamon Press, New York, NY, 1961.
Hudson, R. D., Infrared System Engineering, John Wiley and Sons, New York, NY, 1969.
Institute of Electrical and Electronics Engineers, New York, NY, IEEE Journal of Solid State Circuits, Special Issue on Charge Transfer Devices, Vol. SC-8, April 1973.
Institute of Electrical and Electronics Engineers, New York, NY, “Infrared Technology for Remote Sensing/* Special Issue Proceedings of the IEEE, Vol. 63, January 1975.
Joyce, W. B., and W. J. Bertram, "Linearized Dispersion Relation and Green’s Function for Discrete Charge Transfer Devices with Incomplete Transfer," Bell System Technical Journal, American Telephone and Telegraph, New York, NY, Vol. 50, 1971, p. 1741.
Kim, С. K., and R. H. Dyck, “Low Light Level Imaging with Buried Channel CCDs,” Proceedings of the IEEE, Institute of Electrical and Electronics Engineers, New York, NY, Vol. 61, 1973, p. 1146.
Kim, С. K., and M. Lenzlinger, “Charge Transfer and on CCDs,” Journal of Applied Physics, Argonne Physics Laboratories, Argonne, IL, Vol. 42, August 1971, pp. 3586-3594.
Kim, С. K., and E. H. Snow, “Р-Channel CCDs with Resistive Gate Structure," Applied Physics Letters, American Institute of Physics, New York, NY, Vol. 20, 1972, p. 514.
Kim, J. C., “InSb MIS Structures for Infrared Imaging Devices,” Digest of Technical Papers, International Electron Device Meeting, Washington, DC, December 1973, Institute of Electrical and Electronics Engineers, New York, NY.
Kim, J. C., “InSb MIS Technology and CID Devices," Proceedings 1975 CCD Applications Conference, San Diego, CA, October 1975, Naval Oceans System Center, San Diego, CA, p. 1.
Kim, J. C., J. M. Hooker, and P. E. Howard, "Noise Measurements in InSb CID Linear Arrays and Operation of Two Dimensional InSb CID Arrays," Device Research Conference, Salt Lake City, UT, June 22, 1976, IEEE Transactions on Electron Devices, Institute of Electrical and Electronics Engineers, New York, NY, Vol. ED-23, No. 11, November 1976, p. 1257.
Kohn, E. S., “A Charge Coupled Infrared Imaging Array with Schottky Barrier Detectors," Proceedings of the IEEE, Institute of Electrical and Electronics Engineers, New York, NY, Vol. ED-23, February 1976, p. 207.
Kohn, E. S., “An Infrared Sensitive Charge Coupled Imager,” Device Research Conference, Santa Barbara, CA, June 1974.
Kohn. E. S„ S. A. Roosild, F. D. Sheperd and A. C. Yang, “Infrared Imaging with Monolithic, CCD Addressed Schottky Barrier Detector Arrays: Theoretical and Experimental Arrays,’' Proceedings 1975 CCD Applications International Conference, San Diego, CA, October 1975, Naval Oceans System Center, San Diego, CA, p. 59.
Kosonocky, W. F„ and J. E. Carnes, “Two-Phase CCDs with Overlapping Polysilicon and Aluminum Gates,” RCA Review, RCA Research and Engineering, RCA, Princeton, NJ, Vol. 34, March 1973, p. 164.
Kruse, P. W., L. D. McGlauchlin, and R. B. McQuistan, Elements of Infrared Technology, John Wiley and Sons, New York, NY, 1962.
Lee, H. S., and L G. Heller, “Charge Control Method of CCD Transfer Analysis,” IEEE Transactions on Electron Devices, Institute of Electrical and Electronics Engineers, New York, NY, Vol. ED-19, 1972, p. 1270.
Leonberger, F. J., A. L. McWhorter, T. C. Harman, and С. E. Hurwitz, “PbS MIS Devices for Charge Coupled Infrared Imaging Applications,” IEEE Transactions on Electron Devices, Institute of Electrical and Electronics Engineers, New York, NY, Vol. ED-21, 1974, p. 738.
Leonberger, F. J., A. L. McWhorter, T. C. Hannan, and С. E. Hurwitz, “PbS MIS Devices for Charge Coupled Imaging Applications,” Device Research Conference, Santa Barbara, CA, June 1974.
Leonberger, F. J., A. L McWhorter, T. C. Harman, and С. E. Hurwitz, “PbS MIS Devices for Charge Coupled Infrared Imaging Applications,” IEEE Transactions, on Electron Devices, Institute of Electrical and Electronics Engineers, New York, NY, Vol. ED-21, 1974, p. 738.
Levinstein, H., “Extrinsic Detectors," Applied Optics, Optical Society of America, Washington, DC, Vol. 4, June 1965.
Long, D., Infrared Physics, Pergamon Press, Elmsford, NY, Vol. 7. 1967.
Long, D. L, and J. L. Schmit, “Mercury-Cadmium Telluride and Closely Related Alloys,” Semiconductors and Semimetals, R. K. Willardson and A. C. Beer (eds.), Academic Press, New York, NY, Vol. 5, 1970.
Ludwig, G. W. and R. L. Watters, “Drift and Conductivity Mobility in Silicon,” Physical Review, American Physical Society, New York, NY, Vol. 101, 15 March 1956, p. 1699.
Michon, G. J., and H. K. Burke, “Charge Injection Imaging,” Digest of Technical Papers, IEEE International Solid State Circuits Conference, Philadelphia, PA, Institute of Electrical and Electronics Engineers, New York, NY, February 1973.
Mikhailova, M. P., D. N. Nasledov, and S. V. Slobodchikov, “Temperature Dependence of Carrier Lifetimes in InAs,” Sov. Phys. Solid State, Vol. 5, February 1974.
Milton, A. F. and M. R. Hess, “Series-Parallel Scan IRCID Focal Plane Array Concept;* Proceedings 1975 CCD Applications International Conference, San Diego, CA, October 1975, Naval Oceans System Center, San Diego, CA, p. 71.
М°^ь’^ M ’ 411(1 M F Tompsett» *,The Effects of Bulk Traps on the Performance of Bulk Channel CCDs," IEEE Transactions on Electron Devices, Institute of Electrical and Electronics Engineers, New York, NY, Vol. ED-21, November 1974.
Mohsen, A. M„ M. F Tompsett, and С. M. Sequin, “Noise Measurements in CCDs,” IEEE DeV'Ce*‘ InStitUte Of Е1ес^са1 and Electronics Engineers, New York, NY, Vol. ED-22, May 197 5, p. 209.
BOWer»E;WUder* and D M Erb- “A M-К Bit Block Addressed Electrical and Fl e™0^» EEE Transactions on Electron Devices, Institute of tlwtncal and Electronics Engineers, New York, NY, Vol. ED-23, February 1976, p.
Mohsen, A. M., M. F. Tompsett, E. N. Fuls, and E. J. Zimany, “A 16-K Bit Block Addressed Charge Coupled Memory Device,” IEEE Transactions on Electron Devices, Institute of Electrical and Electronics Engineers, New York, NY, Vol. ED-23, February 1976, p. 108.
Moss, T. S., G. J. Burrel, and B. Ellis, Semiconductor Optoelectronics, John Wiley and Sons, New York, NY, 1973.
Nelson, R. D., “Accumulation-Mode CCD,” Applied Physics Letters, American Institute of Physics, New York, NY, Vol. 35, November 1974, pp. 568-570.
Nummedal, K., J. C. Fraser, S. C. Su, R. Baron, and R. M. Finnila, “Extrinsic Silicon Monolithic Focal Plane Array Technology and Application,” Proceedings 1975 CCD Applications International Conference, San Diego, CA, October 1975, Naval Oceans System Center, San Diego, CA, p. 79.
Ovum Ltd., London, England, In ternational A bstracts on CCDs, 1970-1974.
Pines, M., and R. Baron, “Characteristics of Indium Doped Silicon Infrared Detectors,” Proceedings of the 1974 International Electron Devices Meeting, Washington, DC, December 1974, Institute of Electrical and Electronics Engineers, New York, NY.
Pines, M., D. Murphy, D. Alexander, R. Baron, M. Young, “Characteristics of Gallium Doped Silicon Infrared Detectors,” Proceedings of the 1975 International Electron Devices Meeting, Washington, DC, December 1975, Institute of Electrical and Electronics Engineers, New York, NY.
Proceedings of the J 973 CCD Applications Conference, Naval Electronics Laboratory Center, San Diego, CA.
Proceedings of the 1975 CCD Applications Conference, University of Edinburgh, EI 18, 9JZ, Great Britain.
Putley, E. H., “Far Infrared Photoconductivity,” Physica Status Solidi, Academic Press, New York, NY, Vol. 6, 1964.
Richman, P., MOS Field-Effect Transistors and Integrated Circuits, John Wiley and Sons, New York, NY, 1973.
Roberts, J. B. G., R. Eames, D. V. McCaughan, and R. F. Simons, “A Processor For Pulse-Doppler Radar,” IEEE Transactions on Electron Devices, Institute of Electrical and Electronics Engineers, New York, NY, Vol. ED-23, February 1976.
Rodgers, R. L., “A 512 X 320 Element Silicon Imaging Device,” Digest of Technical Papers, International Solid State Circuits Conference, Philadelphia. PA, 1975, Institute of Electrical and Electronics Engineers, New York, NY, 1975.
Rosenbaum, S. D., С. H. Chan, J. T. Caves, S. C. Poon, and R. W. Wallace, “A 16384-Bit High Density CCD Memory,” IEEE Transactions on Electron Devices, Institute of Electrical and Electronics Engineers, New York, NY, Vol. ED-23, February 1976, p. 101.
Salama, С. A. T., “Two-Phase MNOS CCD,” Electronics Letters, Institute of Electrical Engineers, Stevenage, Herts, England, Vol. 8, 1972, p 21.
Schroder, D. K., “A Two-Phase Germanium CCD,” Applied Physics Letters, American Institute of Physics, New York, NY, Vol. 25, 1974, p. 747.
Sealer, D. A., С. H. Sequin, and M. F. Tompsett, “High Resolution Charge Coupled Image Sensors,” 1974 IEEE Intercon, Institute of Electrical and Electronics Engineer», New York, NY, Session 2, March 1974.
Sequin, С. H., and A. M. Mohsen, “Linearity of Electrical Charge Injection into CCDs,” IEEE Journal of Solid State Circuits, Institute of Electrical and Electronics Engineers, New York, NY, Vol. SC-10, 1975.
Sequin, С. H., D. A. Sealer, W. J. Bertram, R. R. Buckley, F. J. Morris, T. A. Shankoff and M. F. Tompsett, “Charge Coupled Image Sensing Devices Using Three Levels of
Devices for Infrared Applications,” Proceedings of the 1975 CCD Applications Conference. San Diego, CA, October 1975, Naval Oceans System Center, San Diego, CA, p. 31.
Tompsett, M. F„ “Charge Transfer Devices,” Journal of Vacuum Science Technology, American Vacuum Society, American Institute of Physics, New York, NY, Vol. 9, 1972. p. 1166.
Tompsett, M. F., “The Quantitative Effects of Interface States on the Performance of CCDs,” IEEE Transaction on Electron Devices, Institute of Electrical and Electronics Engineers, New York, NY, Vol. ED-20, January 1973, p. 45.
Tompsett, M. F., and E. J. Zimany, “Use of CCDs for Delaying Analog Signals,” IEEE Journal of Solid State Circuits, Institute of Electrical and Electronics Engineers, New York, NY, Vol. SC-8, 1973, p. 151.
Tompsett, M. F., G. F. Amelio, and G. E. Smith, “Charge Coupled 8-Bit Shift Register," Applied Physics Letters, American Institute of Physics, New York, NY, Vol. 17, August 1970.
Tompsett, M. F , W. J. Bertram, D. A. Sealer, and С. H. Sequin, “Charge Coupling Improves Its Image, Challenging Video Camera Tubes,” Electronics, Vol. 46, No. 2, 1973, p. 162.
Tracy, J. M., A. M. Andrews, С. C. Wang, M. Ewbank, and J. T. Longo, “Hybrid Infrared Focal Plane Construction and Operation," Device Research Conference, Ithaca, NY, June 1977, IEEE Transactions on Electron Devices, Institute of Electrical and Electronics Engineers, New York, NY, Vol. ED-24, September 1977, p. 1194.
Wegener, H. H. R., “Appraisal of Charge Transfer Technologies for Peripheral Memory Applications," Proceedings of the 1973 CCD Applications International Conference, San Diego, CA, 1973, Naval Oceans System Center, San Diego, CA, p. 43.
Wen, D. D., “Design and Operation of a Floating Gate Amplifier,” IEEE Journal of Solid State Circuits, Institute of Electrical and Electronics Engineers, New York, NY, Vol. SC-9, 1974.
Wen, D. D., J. M. Early, С. K. Kim, and G. F. Amelio, “A Distributed Floating Gate Amplifier in CCDs," Digest of Technical Papers, ISSC Conference, Philadelphia, PA, Institute of Electrical and Electronics Engineers, New York, NY, February 1975, p. 24.
White, M. H., and D. R. Lampe “CCD Analog Signal Processing,” Proceedings of the 1975 CCD Applications International Conference, San Diego, CA, October 1975, Naval Oceans System Center, San Diego, CA, p. 189.
White, M. H., D. R. Lampe, and J. L. Fagan, “CCD and MNOS Devices for Programmable Analog Signal Processing and Digital Nonvolatile Memory,” Digest of Technical Papers, International Electron Device Meeting, Washington, DC, 1973, Institute of Electrical and Electronics Engineers, New York, NY, p. 130.
White, M. H., D. R. Lampe, J. L. Fagan, and D. A. Barth, “A Nonvolatile Charge- Addressed Memory Cell," Digest of Technical Papers, International Electron Device Meeting, Washington, DC, 1974, Institute of Electrical and Electronics Engineers, New York, NY, p. 115.
Whitehouse, H. J. “Signal Processing with Charge Transfer Devices,” IEEE Transactions on Electron Devices, Institute of Electrical and Electronics Engineers, New York, NY, Vol. ED-23, February 1976, p. 132.
WiUardson, R. K., and A. C. Beer (eds.), Semiconductors and Semimetals, Academic Press, New York, NY, Vol. 5, 1970.
Polysilicon," Digest of Technical Papers, International Solid State Circuits Conference, Philadelphia, PA, 1974, Institute of Electrical and Electronics Engineers New York, NY, 1974.
Sequin, С. H., and M. F. Tompsett, “Charge Transfer Devices," Advances in Electronics and Electron Physics, Academic Press, New York, NY, Supplement 8, 1975.
Shepard, F. D., and A. C. Yang, “Silicon Schottky Retinas for Infrared Imaging," Digest of Technical Papers, International Electron Device Meeting, Washington, DC, December 1973, Institute of Electrical and Electronics Engineers, New York NY pp* 310-313.’
Shott, J., and R. Melen, “The Razorback CCD," Digest, 1975 ISSC Conference, Philadelphia, PA, Institute of Electrical and Electronics Engineers, New York, NY, February 1975..
Soref, R. A., “Extrinsic IR Photoconductivity of Sj Doped with B, Al, Ga, P, As or Sb," Journal of Applied Physics, Argonne Physics Laboratory, Argonne, IL, Vol. 38, December 1967.
Steckl, A. J., “Infrared CCDs," Infrared Physics, Pergamon Press, Elmsford, NY, Vol. 16, January 1976, pp. 65-73.
Steckl, A. J., “Injection Efficiency in Hybrid IR CCDs." Proceedings of the 1975 CCD Applications Conference, San Diego, CA, October 1975, Naval Oceans System Center, San Diego, CA, pp. 85-91.
Steckl, A. J., “Low Temperature Silicon CCD Operation," Proceedings of the 1975 CCD Applications International Conference, San Diego, CA, October 1975, Naval Oceans Systems Center, San Diego, CA.
Steckl, A. J., and T. Koehler, “Theoretical Analysis of Directly Coupled 8-12 pm Hybrid IRCCD Serial Scanning," Proceedings of the 1973 CCD Applications International Conference, San Diego, CA, September 1973, Naval Oceans System Center, San Diego, CA. pp. 247-258.
Steckl, A. J., R. D. Nelson, В. T. French, R. A. Gudmundsen, and D. Schechter, “Application of CCDs to Infrared Detection and Imaging," Proceedings of the IEEE, Institute of Electrical and Electronics Engineers, New York, NY, Vol. 63, January 1975.
Strain, R. J., and N. L. Schryer, “A Non-Linear Diffusion Analysis of CCD Transfer,”^// System Technical Journal, American Telephone and Telegraph, New York, NY, Vol. 50, 1971.
Sze, S. M., Physics of Semiconductor Devices, John Wiley and Sons, New York, NY, 1969.
Tao, T. F., J. R. Ellis, L. Kost, and A. Doshier, “Feasibility Study of PbTe and Pbo.76Sno.24Te Infrared Charge Coupled Imager,” Proceedings of the CCD Applications Conference, San Diego, CA, September 1973, Naval Oceans System Center, San Diego, CA, pp. 259-268.
Tasch, A. F., R. A. Chapman, and В. H. Breazeale, “Field-Effect Measurements of the HgCdTe Surface," Journal of Applied Physics, Argonne Physics Laboratories, Argonne, IL, Vol. 41, September 1970.
Tchon, W. E., and J. S. T. Huang, “256 Bit Repeater Chained 2-Phase CCD Digital Shift Register," Proceedings of the 1973 CCD Applications International Conference, San Diego, CA, 1973, Naval Oceans System Center, San Diego, CA, p. 73.
Tchon, W. E., B. R. Elmer, A. J. Denboer, S. Negishi, K. Hirabayaski, 1. Nojima, and S. Kohyama, “4096-Bit Serial Decoded Multiphase Serial-Parallel-Serial CCD Memory," IEEE Transactions on Electron Devices, Institute of Electrical and Electronics Engineering, New York, NY, Vol. ED-23, February 1976, p. 93.
Thom R D , R E. Eck, J. D. Phillips, and J. B. Scorso, “InSb CCDs snd other MIS 453
К ГЛ. 14
Цитируемая литература
1.2.3.4.5.10.11.12.13.14.15.1.2.3.4.5.10.11.12.13.14.15.W. S. Percival, British Patent No. 528179, 1939, British Patent Office, London,
1.
2.
3.
4.
5.
10.
11.
12.
13.
14.
15.
1.
2.
3.
4.
5.
10.
11.
12.
13.
14.
15.
England.
1. J. P. James, ’‘Fluctuation Noise in Television Camera Head Amplifiers,"IEEE Proceedings, Institution of Electrical Engineers, London, England, No. 20, Part III A, 1952.
M. H. Crowell and E. F. Labuda, “The Silicon-Diode-Array Camera Tube,” Photoelectronic Imaging Devices, L. M. Biber man and Sol Nudelman (eds.),
Plenum Press, New York, NY, 1971.
S. V. Forgue, L. D. Miller, and J. O. Schroeder, “The IRicon: A Passive Infrared Camera Tube,” IEEE Transactions on Electron Devices, Institute of Electrical and Electronics Engineers, New York, NY, Vol. ED-22, No. 10, October 1975, pp. 904-910.
R. Kurczewski and R. S. Levitt, ‘Tyroelectric Vidicon Camera System, Modern Utilization of Infrared Technology,” Proceedings, Society of Photo-Optical Instrumentation Engineers, Society of Photo-Optical Instrumentation Engineers, Palos Verdes Estates, CA, Vol. 62, 1976.
United States Broadcast Scanning Standards, Electronic Industries Association, Washington, DC, Standard No. EIA-RS-170, 1976.
C. N. Helmick, Jr. and W. H. Woodworth, “Improved Performance from Pyroelectric Vidicons by I mage-Difference Processing,” Ferroelectrics, Gordon and Breach, London, Vol. 10, 1976.
F. Petito and L. Garn, “A Critical Systems Assessment of the Pyroelectric Vidicon,” Technical Digest, International Electron Devices Meeting, Institute of Electrical and Electronics Engineers, New York, NY, 1975, pp. 74-77. R. Watton, C. Smith, B. Harper, and W. M. Wreathall, “Performance of the Pyroelectric Vidicon for Thermal Imaging in the 8-14 Micron Band,” IEEE Transactions on Electron Devices, Institute of Electrical and Electronics Engineers, New York, NY, Vol. ED-21, No. 8, August 1974, pp. 462-469.
B. Singer and J. Lalak, “Pyroelectric Vidicon with Improved Resolution," IEEE Symposium on Applications of Ferroelectrics, Institute of Electrical and Electronics Engineers, New York, NY, June 1975.
R. M. Logan and R. Watton, “Analysis of Cathode Potential Stabilization of the Pyroelectric Vidicon,” Infrared Physics, Pergamon Publishing, Elmsford, NY, Vol. 12, 1972, p. 17.
E. Stupp, T. Conklin,and B. Singer, Philips Laboratories, Briar-Cliff Manor, NY, Private Communication, November, 1976.
ConkUn, B. Singer, M. H. Crowell, and R. Kurczewski, “Theory and Performance of Pyroelectnc Vidicon with an Electronically Generated Pedestal Current for the Cathode Potential Stabilized Mode,” Technical Digest, IEEE International Electron Devices Meeting, Institute of Electrical and Electronics Engineers, New York, NY, T-ED-74, November 1974, pp. 451-454.
Ampere^ Electronic Corporation Staff, “Pyroelectric Vidicon S49XQB," Devel- J^3, Е1есп°-ОР“са1 Devices Division, Amperex Electronic Corporation a North American Philips Company), Slatersville, RI, January, Ы9Х9вТ^у^^^^ ТУРе S58X° ^^ Vidicon (Previously Franco Iona and C. Shirane, Ferroelectric Cry,tab. Pergamon Publishing, New
York, NY, 1962.
16. S. Hoshino, T. Mitsui, F. Jona, and R. Pepinsky, “Dielectric and Thermal Study of Tri-Glycine Sulphate and Tri-Glycine Fluoberyllate,” Physical Review, American Institute of Physics, New York, NY, Vol. 107, No. 5, 1957, p. 1255* 17. P. J. Daly, U. S. Army Engineering Research and Development Laboratories, Ft. Belvoir, VA, Private Communication, April, 1966.
Библиография
Amperex Electronic Corporation Staff, “Pyroelectric Vidicon S49XQB,” Development Sample Data, Amperex Electronic Corporation, Electro-Optical Devices Division (a North American Philips Company), Slatersville, RI, January 1976. See also, “Development Type S58XQ Pyroelectric Vidicon (Previously S49XQB),” July 1977.
Anderson, R. W., “Thermal Mapping in Color Using the Evapo ragrap h,” Photomethods for Industry, Ziff-Davis Publishing, New York, NY, Vol. 6, No. 10, October, 1963.
Biberman, L. M. (ed.), Perception of Displayed Information, Plenum Press, New York, NY, 1973.
Blumenfeld, S. M., G. W. Ellis, R. W. Redington, and R. H. Wilson, “The Epicon Camera Tube: An Epitaxial Diode Array Target Vidicon,” IEEE Transactions on Electron Devices, Institute of Electrical and Electronic Engineers, New York, NY, Vol. ED-18, No. 11, November 1971.
Conklin T., and B. Singer, “High Performance Pyroelectric Vidicon,” Technical Digest, IEEE International Electron Devices Meeting, Institute of Electrical and Electronics Engineers, New York, NY, 1965, pp. 66-69.
Conklin, T., B. Singer, M. H. Crowell, and R. Kurczewski, “Theory and Performance of a Pyroelectric Vidicon with an Electrically Generated Pedestal Current for the Cathode Potential Stabilized Mode,” Technical Digest, IEEE International Electron Devices Meeting, Institute of Electrical and Electronics Engineers, New York, NY, Vol. T-ED 74, November 1974, pp. 451-454.
Crowell, M. H., and E. F. Labuda, “The Silicon-Diode-Array Camera Tube," Photo- electronic Imaging Devices, L. M. Biberman and Sol Nudelman (eds.). Plenum Press, New York, NY, 1971.
Dimmock, J. O., ‘ Capabilities and Limitations of Infrared Vidicons vs Infrared Scanning Systems,” Lincoln Laboratory Technical Note 1971-79, Lincoln Laboratory, Lexington, MA, December, 1971.
Forgue, S. V., L. D. Miller, and J. O. Schroeder, “The IRicon: A Passive Infrared Camera Tube,” IEEE Transactions on Electron Devices, Institute of Electrical and Electronics Engineers, New York, NY, Vol. ED-22, No. 10, October 1975, pp. 904-910.
Hall, J. A., “Problem of Infrared Television-Camera Tubes vs Infrared Scanners," Applied Optics, Optical Society of America, Washington, DC, Vol. 10, No. 4, April 1971, pp. 838-844.
Hansen, J. R., J. L. Fergason and A. Okaya, “Display of Infrared Laser Patterns by a Liquid Crystal Viewer,” Applied Optics, Optical Society of America, Washington, DC, Vol. 3, No. 8, August 1964, pp. 987-988.
Helmick, C. N., Jr., and W. H. Woodworth, “Improved Performance from Pyroelectric Vidicons by Image Difference Processing,” Ferroelectrics, Gordon and Breach, London, England. Vol. 10, 1976.
Hoshino, S., T. Mitsui, F. Jona, and R. Pepinsky, “Dielectric and Thermal Study of Tn- Glycine Sulphate and Tri-Glycine Fluoberyllate,” Physical Review, American Institute 455
of Physics. New York, NY, Vol. 107, No. 5, 1957, p. 1255.
James, 1. J. P., “Fluctuation Noise in Television Camera Head Amplifiers,” IEE Proceedings» Institution of Electrical Engineers, London, England, No. 20, Part III A, 1952.
Jona. Franco,andG. Shirane, Ferroelectric Crystals, Pergamon Publishing, New York, NY, 1962.
Kurczew&ki. R., and R. S. Levitt, “Pyroelectric Vidicon Camera System, Modern Utilization of Infrared Technology,” Proceedings, Society of Photo-Optical Instrumentation Engineers, Society of Photo-Optical Instrumentation Engineers, Palos Verdes Estates, CA.Vol. 62, 1976.
Logan, R. M and R. Watton, “Analysis of Cathode Potential Stabilization of the Pyroelectric Vidicon,"Infrared Physics, Pergamon Publishing, Elmsford, NY, Vol. 12, 1972, p. 17.
McDaniel, G. W„ and D. Z. Robinson, “Thermal Imaging by Means of the Evaporograph,” Applied Optics, Optical Society of America, Washington, DC, Vol. 1, May 1962.
Percival, W. S., British Patent No. 528179, 1939, British Patent Office, London, England.
Petito, F., and L. Garn, “A Critical Systems Assessment of the Pyroelectric Vidicon,” Technical Digest, International Electron Devices Meeting, Institute of Electrical and Electronics Engineers, New York, NY, 1975, pp. 74-77.
Singer, B., “Pyroelectric Vidicons, the IR Imaging Dark Horse,” Electro-Optical Systems Design, Milton S. Kiver Publications, Chicago, IL, Vol. 7, No. 7, July 1975.
Singer, B., and J. Lalak, “Pyroelectric Vidicon with Improved Resolution," IEEE Symposium on Applications of Ferroelectrics, Institute of Electrical and Electronics Engineers, New York, NY, June 1975.
Vis, Vincent, “The Interference Edgegraph (A New Thermal Imaging Device)," The University of Michigan Engineering Research Institute, Ann Arbor, MI, Report No. 2144- 31-R, January 1955.
Watton R., “Pyroelectric Materials: Operation and Performance in Thermal Imaging Camera Tubes and Detector Arrays,” Ferroelectrics, Gordon and Breach, London, Vol. 10, 1976.
Watton, R., C. Smith, B. Harper and W. M. Wreathall, “Performance of the Pyroelectric Vidicon for Thermal Imaging in the 8-14 Micron Band," Transactions on Electron Devices Institute of Electrical and Electronics Engineers, New York, NY, Vol. ED-21, No. 8. August 1974, pp. 462-469.
Weed and Merkel, Pennsylvania Power and Light, Transmission and Distribution, Cleworth Publications, Cos Cob, CT, 1967.
К гл. 15
Цитируемая литература
1.2.3.4.1.2.3.4.David В Eisendrath, Photographic Consultant, Brooklyn, NY, Private Communication, January and April 1976
1.
2.
3.
4.
1.
2.
3.
4.
2SЖ»' •— “*• «•*--." •*.
”“™d^^”■ ^-‘ -“■-«-•
S“,^“5 “””“ "~»*v." «—. Koda co..
" *="• ‘”1 ». =. I«. ™. 2=4.
“Kodak Multi-Spectral Infrared Aerial Film (Estar-Ah® Base) SO-289 ” Eastman K^pC0-’ Rochester. NY, Aerial Data, Kodak Pubbeation No. M-127, July
“Kodak Infrared Aerographic Film 2424 (Estar Base),” Eastman Kodak Co. Rochester, NY, Aerial Data, Kodak Publication No. M-58, January 1973 pp. 8-10.
Kodak Data for Aerial Photography,” Eastman Kodak Co., Rochester, NY, Kodak Publication No. M-29, 4th. Edition, May 1976, pp. 54-62.
J. Berezansky, Jr., ed„ Eastman Kodak Co., Rochester, NY, Private Communication, April 1976.
C.J. Niederpruem, C.N. Nelson, J.A.C. Yule, “Contrast Index,” Photographic Science and Engineering, Society of Photographic Scientists and Engineers, Washington, DC, Vol. 10, 1966, pp. 35-41.
J. Berezansky, Jr., ed„ Eastman Kodak Co., Rochester, NY, Private Communication; data on SO-127, -130, -131 film, MI-24283, TI-785, February-March 1974, pp. 3-7.
L.G. Paritskii and S.M. Ryvkin, “Use of Semiconductors in Long-Wavelength Photography,” Soviet Physics-Semiconductors, American Institute of Physics, New York, NY, Vol. 4, No. 4, October 1970, pp. 645-650.
L.G. Paritskii and S.M. Ryvkin, “Some Principles of Long Wavelength, Semiconductor Photography,” Zhurnal Nauchoy i Prikladnoy Fotografiya i Kime- matografiya, Akademiya Nauk SSSR, Moscow Tzentr, USSR, May-June 1970, pp. 184-191.
Zh. G. Dokholyan, L.G. Paritskii and S.M. Ryvkin, “Photographic Process Based on the Photoelectric Action of a Surface-Barrier Junction in Silicon,” Soviet Physics-Semiconductors. American Institute of Physics, New York, NY, Vol 4, No. 8, February 1971, pp. 1377-1378.
D.N. Goryachev, L.G. Paritskii, and S.M. Ryvkin, “Photographic Process Based on Oxidation-Reduction Reactions on the Surface of Silicon,” Soviet Physics- Semiconductors, American Institute of Physics, New York, NY, Vol. 4, No. 8, February 1971, pp. 1356-1357.
D.N. Goryachev, L.G. Paritskii, and S.M. Ryvkin, “Photographic Process Based on Oxidation-Reduction Reactions on Thin Films of Lead Sulfide and Selenide,” Soviet Physics-Semiconductors, American Institute of Physics, New York, NY, Vol. 4, No. 8, February 1971, pp. 1354-1355.
L.V. Belyakov, L.G. Paritskii, S.M. Ryvkin, and V.B. Yarzhembitskii, “Use of Evaporated Lead Sulfide Film in Electrolytic Photography,” Soviet Physics- Semiconductors, American Institute of Physics, New York, NY, Vol. 5, No. 7, January 1972, pp. 1283-1284.
D^I. Goryachev, L.G. Paritskii, and S.M. Ryvkin, “Formation of Photographic Images on Thin Lead Sulfide Films by Internal Electrolysis,” Soviet Physics- Semiconductors, American Institute of Physics, New York, NY, Vol. 6, December 1972, pp. 1003-1004.
G.B. Gorbn, L.G. Paritskii, S.M. Ryvkin and A.A. Bagdanavichus, “Possible Use of the Semiconductor-Dielectric Electrophotographic System in Long-Wavelength Semiconductor Photography,” Soviet Physics-Semiconductors, American Institute of Physics, New York, NY, Vol. 6, No. 2, August 1972, p.’371.
E.l. Ivanova, B.V. Novogrudskii and L.G. Paritskii, “Semiconductor Photographic System Based on High-Resistivity Gallium Arsenide," Soviet Physics-
Semiconductors. American Institute of Physics, New York, NY, Vol. 6, No. 7, March 1973, pp. 1585-1587.
LG. Paritskii, S.M. Ryvkin, and V.B. Yarzhembitsku, Formation of Photographic Images at the interface Between a Semiconductor and an Active Gas Medium;* Soviet Physics-Semiconductors, American Institute of Physics, New York, NY, Vol 6, No. 7, January 1973,pp. 1224-1225.
G.B. Abdullaev, M.Kh. Alieva, D.N. Goryachev, F.N. Kaziev, L.G. Paritskii and S.M. Ryvkin, “Formation of Photographic Images on Thin Films of Gallium and Indium Selenides,” Soviet Physics-Semiconductors. American Institute of Physics, New York, NY, Vol. 6, No. 6, December 1972, pp. 1024-1025.
The Science of Color, Optical Society of America, Washington, DC, 1973, 3rd.
Edition.
Библиография
Abdullaev, G.B. M.Kh. Alieva, D.N. Goryachev, F.N. Kaziev, L.G. Paritskii, and S.M. Ryvkin, “Formation of Photographic Image on Thin Films of Gallium and Indium Selenides,” Soviet Physics-Semiconductors, American Institute of Physics, New York, NY, Vol. 6, No. 6, December 1972.
Belyakov, L.V., L.G. Paritskii, S.M. Ryvkin, and V.B. Yarzhembitskii, “Use of Evaporated Lead Sulfide Films in Electrolytic Photography," Soviet Physics-Semiconductors t American Institute of Physics, New York, NY, Vol. 5, No. 7, January 1972.
Gark, W., Photography by Infrared, John Wiley and Sons, New York, NY, 1946,
Dokholyan, Zh.G., L.G. Paritskii, and S.M. Ryvkin, “Photographic Process Based on the Photoelectric Action of a Surface-Barrier Junction in Silicon,” Soviet Physics- Semiconductors, American Institute of Physics, New York, NY, Vol. 4, No. 8, February 1971.
Gorlin, G.B., L.G. Paritskii, S.M. Ryvkin, and A.A. Bagdanavichus, “Possible Use of the Semiconductor-Dielectric Electrophotographic System in Long-Wavelength Semiconductor Photography," Soviet Physics-Semiconductors, American Institute of Physics, New York, NY, Vol. 6, August 1972.
Goryachev, D.N., L.G. Paritskii, and S.M. Ryvkin, “Formation of Photographic Images on Thin Lead Sulfide Films by Internal Electrolysis," Soviet Physics-Semiconductors, American Institute of Physics, New York, NY, Vol. 6, No. 6, December 1972.
Goryachev, D.N., L.G. Paritskii, and S.M. Ryvkin, “Photographic Process Based on Oxidation-Reduction Reactions on the Surface of Silicon," Soviet Physics-Semiconductors, American Institute of Physics, New York, NY, Vol. 4, No. 8, February 1971.
Goryachev, D.N., L.G. Paritskii, and S.M, Ryvkin, “Photographic Process Based on Oxidation-Reduction Reactions on Thin Films of Lead Sulfide and Selenide," Soviet Physics-Semiconductors. American Institute of Physics, New York NY Vol. 4. No. 8, February 1971.
Grinberg, A.A., L.G. Paritskii, and L.V. Udod, “Enhancement of the Resolving Power of p-n Junction Semiconductor Photographic System in a Magnetic Field," Soviet Physics- Semiconductors, American Institute of Physics, New York, NY, Vol. 6, No. 3, September 1972.
Hardy, A.C. and F.F. Perrin, The Principles of Optics. McGraw-Hill, New York, 1932-
Ivanova, E.I., B.V. Novogrudskii, and L.G. Paritskii, “Semiconductor Photographic System Based on High-Resistivity Gallium Arsenide," Soviet Physics-Semiconductors. American Institute of Physics, New York, NY, Vol. 6, No 7 March 1 973
458
Kodak Applied Infrared Photography," Eastman Kodak Co., Rochester, NY Kodak Pubheation No. M-28, 1970.
"Kodak Data for Aerial Photography," Eastman Kodak Co., Rochester, NY, Kodak Publication No. M-29, 4th Edition, May 1976, pp. 54-62.
Kodak data on SO-127, -130, -131 film, MI-24283, TI-785, February-March 1974, pp. 3-7.
“Kodak Infrared Aerographic Film 2424 (Estar Base)," Eastman Kodak Co., Rochester, NY, Aerial Data, Kodak Publication No. M-58, January 1973.
“Kodak Infrared Films," Eastman Kodak Co., Rochester, NY., Kodak Publication No. N-17, 1971 and 1974.
“Kodak Multi-Spectral Infrared Aerial Film (Estar-Ah Base) SO-289,*' Eastman Kodak Co., Rochester, NY, Aerial Data, Kodak Pubheation No. M-127, June 1975.
“Kodak Plates and Films for Scientific Photography," Eastman Kodak Co., Rochester, NY, Kodak Pubheation No. P-315, 1973.
Niederpruem, C.J., C.N. Nelson, and J.A. Yule, J.A.C., “Contrast Index,” Photographic Science and Engineering, Society of Photographic Scientists and Engineers, Washington, DC, Vol. 10, 1966.
Paritskii, L.G. and S.M. Ryvkin, “Some Principles of Long Wavelength, Semiconductor Photography," Zhurnal Nauchoy i Prikladnoy Fotografiya i Kinematorgrafiya, Akademiya Nauk SSSR, Moscow Tzentr, USSR, May-June 1970.
Paritskii, L.G., S.M. Ryvkin, “Use of Semiconductors in Long-Wavelength Photography, Soviet Physics-Semiconductors, American Institute of Physics, New York, NY, Vol. 4, October 1970.
Paritskii, L.G., S.M. Ryvkin, and V.B. Yarzhembitskii, “Formation of Photographic Images at the Interface Between a Semiconductor and an Active Gas Medium," Soviet Physics-Semiconductors, American Institute of Physics, New York, NY, Vol. 6, No. 7, January 1973.
Ross, F.E., The Physics of the Developed Photographic Image, Van Nostrand, New York, NY, 1924.
Science of Color, The, Optical Society of America, Washington, DC, 1963, 3rd. edition.
К гл. 16
Цитируемая литература
“Nimbus F Two-Stage Solid Cryogen Cooler," Final Report, Report No. LMSC- D35872O, Lockheed Missiles and Space Company, Inc., Sunnyvale, CA, April 15,1974.
G. H. Nakano, et al., “A Satellite Borne High-Resolution GE(Li) Gamma Ray Spectrometer System,” presented at Institute of Electrical and Electronics Engineers Nuclear Science Symposium, San Francisco, CA, 14-16 November 1973.
J. P. Wright and W. R. Pence, “Development of A Cryogenic Heat Pipe Radiator for a Detector Coohng System," American Society of Mechanical Engineers, paper presented at the Society of American Engineers-American Society of Mechanical Engineers-American Institute of Aeronautics and Astronautics InterSociety Conference, San Diego, CA, 16-19 July 1973. American Society of Mechanical Engineers, New York, NY, 73*ENAs-47, 1973.
M. J. Donohoe, et al., “Radiant Coolers-Theory, Right Histories, Design Comparisons and Future Applications," American Institute of Aeronautics and Astronautics Paper 75-184, 20 January 1975.
5.6.7.8.9.10.11.12.13.14.15.16.17.18.19.20.21.22.5.6.7.8.9.10.11.12.13.14.15.16.17.18.19.20.21.22.
5.
6.
7.
8.
9.
10.
11.
12.
13.
14.
15.
16.
17.
18.
19.
20.
21.
22.
5.
6.
7.
8.
9.
10.
11.
12.
13.
14.
15.
16.
17.
18.
19.
20.
21.
22.
Donabedian, “Survey of Cryogenic Cooling Techniques,” Space and Missile Systems Organization-Technical Report 73-74, available from National Technical Information Service, AD 755 780, October 1972.
Lehrfeld and G. Pitcher, ‘‘An Oil Lubricated Triple Expansion VM Cooler for Long Duration Space Missions,” Air Force Flight Dynamics Laboratory-Technical Report 73-149, Vol. I, Philips Laboratory, Briarcliff Manor, NY, December 1973. “Long Life, High Capacity Vuilleumier Refrigerator for Space Applications,” Air Force Flight Dynamics Laboratory-Technical Report 75-108, Hughes Aircraft Company, Culver City, CA, September, 1975.
B. Colyer, et at, “Design and Development of Cryogenic Turbo Refrigerator Systems,” Air Force Flight Dynamics Laboratory-Technical Report 72-154, General Electric R&D Center, Schenectady, NY, April 1973.
W. Breckinridge, Jr., et al., “Development of a Rotary-Reciprocating Refrigerator for Space Applications,” Air Force Flight Dynamics Laboratory-Technical Report 75-77, Arthur D. Little, Inc., Cambridge, MA, August 1975.
J. Buist, “Low Power, Low Temperature Thermoelectric Coolers,” presented at Electro-Optical Systems Design Conference-1974 West, San Francisco, CA, 5 November 1974.
“Cryogenic Data” Cryenco, A Division of Cryogenic Technology, Inc., Denver, CO, March 1965.
“Specification, Cryogenic Refrigeration Systems,” Brochure, Air Products and Chemicals, Inc., Advanced Products Dept., Allentown, PA, 1975.
S. Buller, “Miniature Self-Regulating Rapid Cooling Joule-Thomson Cryostat,” Santa Barbara Research Center, Goleta, CA, May 1969, p. 12.
“Miniature Cryogenic Systems,” The Hymatic Engineering Company, Worcestershire, England, July 1975.
“The Infrared Brochure,” Santa Barbara Research Center, Goleta, CA, 1973, pp. 25,30.
Minnesota Valley Engineering, Catalog, New Prague, MN, June 1970.
E. Gross et al., “Solid Cryogen Cooler Design Studies and Development of an Experimental Cooler,” Air Force Flight Dynamics Laboratory-Technical Report 68-1, Aerojet-General Corp., Azusa, CA, March 1968.
P. Caren and R. M. Coston, “Design and Construction of an Engineering Model Solid Cryogen Refrigerator for Infrared Detector Cooling at SOK,” National Aeronautics and Space Administration-Contractor Report-988, Lockheed Missiles and Space Co., January 1968.
A. Ahern and T. W. Lawson, Jr., “Cryogenic Solid Oxygen Storage and Sublimation Investigation,” Aerospace (USAF) Medical Research Laboratory- Technical Report-68-105, Aerojet-General Corp., Azusa, CA, December 1968. R. N. Herring, et al., “Solid Cryogen Cooler Development," Ball Brothers Research Corp., Boulder, Colo., presented at the National Aeronautics and Space Administration Cryogenic Workshop, Marshall Space Flight Center Huntsville, AL, 29-30 March 1973.
* ^ ^°^d Cryogen Cooler for an X-Ray Spectrometer,” pre- м ^atlOnal Aeronautics and Space Administration Cryogenic Workshop Marshall Space Flight Center, Huntsville, AL, 29-30 March 1973.
Y^Bate, Jr., ‘An Efficient Long-Life Cryogenic Cooling Applications," Technical Note-1218, presented at the Xw.^^ F'dera"°"- 26,h C~. Lisbon, Portugal, 8 Set,
Malaker Corporation Brochure, Malaker Corp., High Bridge, NJ. revised I December 1970.
J. G. Daunt, et al., “Miniature Cryogenic Refrigerators,” AD 697 972, Stevens Institute of Technology, NJ, August 1969.
H. Yoshimoto, Hughes Aircraft Company, Personal Communication, 7 July 1975.
H. L. Jensen, et al., “Investigation of External Refrigeration Systems for Long Term Cryogenic Storage,” Report No. LMSC-A903162, Lockheed Missiles and Space Co., 28 May 1970.
A. L. Jokl and R. B. Flemming, “Miniature Turbomachinery Cryogenic Refrig
eration Systems,” paper presented at the Intersociety Energy Conversion Conference, Las Vegas, NV, 20 September 1970, American Society of Mechanical Engineers, New York, NY, 1970.
New Products Brochure, Cryogenic Technology, Inc., Waltham, MA, August 1975.
C. Balas, Jr., “An Acoustically Quiet, Low Power Minimum Vibration Stirling Cycle Refrigerator, Air Force Flight Dynamics Laboratory-Technical Report-73- 149, Philips Labs., Briarcliff Manor, NY, December 1973.
B. Miller, “New Sensor Cooling Unit Developed," Aviation Week and Space Technology, 20 November 1972, pp. 76-78.
R. J. Buist, “Low Power, Low Temperature Thermoelectric Coolers," presented at Electro-Optical Systems Design Conference-1974 West, San Francisco, CA, 5 November 1974. •
“Vuilleumier Cycle Cryogenic Refrigeration Systems for Infrared Scanner Applications,” Air Force Flight Dynamics Laboratory-Technical Report-71-18, Hughes Aircraft Company, August 1971.
F. N. Magee, et al., “Vuilleumier Cycle Cryogenic Refrigerator Development," AD 841 543, Hughes Aircraft Company, Culver City, CA, August 196 8.
G. K, Pitcher and F. K. du Pre, Advances in Cryogenic Engineering, Vol. 1 5, 1969, pp. 447-451.
C. W. Browning, W. S. Miller and V. L. Potter, “75 К Vuilleumier Refrigerator, Final Report for Task II Analytical and Test Program," Report 72-8687, Aire- search Manufacturing Co., Los Angeles, CA, November 1972.
“Design and Performance Data for Cryodyne Refrigerators,” Bulletin 7-75-001, Technical Documents Service-5058, Cryogenic Technology, Inc., Waltham, MA, July 1975.
“Cryocooler Specifications," Bulletin 7-75-013, Cryogenic Technology, Inc., Waltham, MA, July 1975.
“Cryogenic Detector Cooler, Displex Model C3-1003 Data Sheet," Air Products and Chemicals, Advanced Products Dept., Allentown, PA, July 1970.
“Cryogenic Refrigerator System for Infrared"Detector Arrays," Specifications SC02-0670, CS01-0470, Submarine Systems Corp., Chatsworth, CA, 1972.
P. H. Egli, Thermoelectricity, John Wiley and Sons, New York, NY, 1958.
“Standard Thermoelectric Devices Specification Chart," Borg-Warner Corp., Des Planes, IL, 9 May 1975..
G. S. Bird, The Cambion Thermoelectric Handbook, Cambion Thermionic Corp., Cambridge, MA, 1971.
“Thermoelectric Cooler Specifications," Marlow Industries, Inc., Garland, LA, January 1977..,
J. S. Buller, et al., “Mercury Cadmium Telluride Space Radiation Cooler tor Synchronous Orbiting Satellites,” Santa Barbara Research Center, Goleta, CA, May 1974, p. 8,
К. L DeBrosse, et al., “A Day-Night High Resolution Infrared Radiometer Employing Two-Stage Radiant Cooling,” Part I, National Aeronautics and Space Administration-Contractor Report-94600, 11 December 196 7.
R. B. Scott, Cryogenic Engineering, D. Van Nostrand Co., Inc., Princeton, NJ, 1959.
R. V. Annable, ‘'Radiant Cooling," Applied Optics, Vol. 9, No. 1, January 1970, pp. 185-193.
“Solar Electromagnetic Radiation,** National Aeronautics and Space Administration-Special Publication-8005, revised May 1971.
“Earth Albedo and Emitted Radiation,” National Aeronautics and Space Ad ministration-Special Publication-8067, July 1971.
“Radiator Design for Space Vehicles,” Airesearch Manufacturing Div., Garret Corp., Los Angeles, CA, March 1972.
T. N. Veziloglu, Correlation of Thermal Contact Conductance Experimental Results, Prog. Of Astronautics and Aeronautics, 20, Academic Press, NY 1967.
P. J. Schneider, “Conduction,” Section 3, Handbook of Heat Transfer, VI. M.
Rohsenow and J. P. Hartrett (eds.), McGraw-Hill Book Co., 1973.
53.54.55.56.57.58.59.60.61.62.63.53.54.55.56.57.58.59.60.61.62.63.A. J. Buschman, et al., “Configuration Factors for Exchange of Radiant Energy Between Axisymmetrical Sections of Cylinders, Cones, Hemispheres, and Their Bases,” National Aeronautics and Space Administration-Technical Notes D-944, 1961.
53.
54.
55.
56.
57.
58.
59.
60.
61.
62.
63.
53.
54.
55.
56.
57.
58.
59.
60.
61.
62.
63.
J. Sotos, et al., “Radiant Interchange View Factors and Limits of Visibility for Differential Cylindrical Surfaces with Parallel Generating Lines,” National Aeronautics and Space Administration-Technical Note-D-25 56, 1964.
R. G. Eckert, “Radiation,” Handbook of Heat Transfer, Part A, Section 15, W. M, Rohsenow and J. P. Hartnett (eds.) McGraw-Hill Book Co., 1973.
C. Hottel, “Radiation Heat Transmission,” Heat Transmission, by W, H. McAdams, Chapter 3, 3rd Edition, McGraw-Hill Book Co., 1954.
E. Glaser, et al., “Thermal Insulation Systems, A Survey,” National Aeronautics and Space Administration-Special Publication-5027, 1967.
N. J. Broadway, Radiation Effects Handbook, Section 2, “Thermal Control Coatings," National Aeronautics and Space Administration-Contractor Report- 1986, prepared by Battelle Memorial Institute, Columbus, OH, June 1971.
Y. S. Touloukian, et al., Thermophysical Properties of Matter, "Thermal Radiative Properties,” Thermophysical Properties Research Center, Purdue University, Plenum Publishing Co., NY, 1972.
J. B. Rittenhouse, et al„ Space Materials Handbook, Supplement 1, National Aeronautics and Space Administration-Special Publication-3025, 1 966.
777'7177 7° thC FM'Ures °f 0A0 Thcrmal Design," American Mechanical Engineers Paper 73 ENAS-46, 20 August 1973
КепУы 7^'^ 3nd APPaiatUS f°r 'nd-'"« Heat'Changes," u Patent No. 1,275,507, 13 August 1918
H °' MCMah°n' “A Low Т™Р«3‘оге Heat Pump," Proceed- Depart 77, o?QahAnal Conf"CnC' of Refrigeration, Vol. 1. Copenhagen, Gitonin.’ 7'nc“ Society °f Heating, Refrigerating, and Air 3 ц9Тз7 “81ПС"’’ NCW Y°rk' NY" U S- Pa«“> N=s. 2,966 035 and
Библиография
Ahem, J. A., and T. W. Lawson, Jr., “Cryogenic Solid Oxygen Storage and Sublimation Investigation,” Aerospace (USAF) Medical Research Laboratory-Technical Report-68- 105, prepared by Aerojet-General Corporation, Azusa, CA, December 1968.
Air Products and Chemicals Inc., “Cryogenic Detector Cooler, Displex Model C3-1003 Data Sheet,” Advanced Products Dept., Allentown, PA, July 1970.
Air Products and Chemicals, Inc., “Specification, Cryogenic Refrigeration System," Advanced Products Dept., Allentown, PA, 1975.
Annable, R. V., “Radiant Cooling,"'Applied Optics, Vol. 9, No. 1, January 1970 pp IOS- 193.
Balas, C., Jr., “An Acoustically Quiet, Low Power Minimum Vibration Stirling Cycle Refrigerator,” Air Force Right Dynamics Laboratory-Technical Report-73-149, Phillips Labs., Briarcliff, Manor, NY, December 1973.
Balas, C., Jr. and C. A. Wingate, Jr., “An Efficient Long-Life Cryogenic Cooling System for Spacecraft Applications," Technical Note-No. 1218, Phillips Labs., presented at the international Astronautical Federation, 26th Congress, Lisbon, Portugal, 8 September 1975.
Ballinger, J. C, and E. H. Christensen, “Thermal Environment of Space,” Supplement B, Engineering Research Report-Aerodynamics Note-016, Convair-Astronautics Division, General Dynamics Corp., San Diego, CA.
Bird, G. S., The Cambion Thermoelectric Handbook, Cambion Thermionic Corp., Cambridge, MA, 1971.
Borg-Warner Thermoelectrics, Standard Thermoelectric Devices Specification Chart, Borg-Warner Corp., Des Plaines, IL, 9 May 1975.
Breckingridge, R. W., Jr., et al„ “Development of a Rotary-Reciprocating Refrigerator for Space Applications,” Air Force Flight Dynamics Laboratory-Technical Report-75-77, Arthur D. Little, Inc., Cambridge, MA, August 1975.
Broadway, N. J., Radiation Effects Handbook, Section 2, “Thermal Control Coatings," National Aeronautics and Space Administration-Contractor Report-1786, prepared by Battelle Memorial Institute, Columbus, OH, June 1971,
Browning, C. W., W. S. Miller and V. L. Potter, “75 К Vuilleumier Refrigerator Final Report for Task П Analytical and Test Program," Report 72-8687, Airesearch Manufacturing Co., Los Angeles, CA, November 1972.
Buist, R. J., “Low Power, Low Temperature Thermoelectric Coolers,” presented at Electro-Optical Systems Design Conference-1974 West, San Francisco, CA, 5 November 1974.
Buller, J. S., “Miniature Self-Regulating Rapid Cooling Joule-Thomson Cryostat,” Santa Barbara Research Center, Goleta, CA, May 1969.
Buller, J. S., et al., ’‘Mercury Cadmium Telluride Space Radiation Cooler for Synchronous Orbiting Satellites,” Santa Barbara Research Center, Goleta, CA, May 1974.
Buschman, A. J., et al,, “Configuration Factors for Exchange of Radiant Energy between Axisymmetrical Sections of Cylinders, Cones, Hemispheres, and Their Bases,” National Aeronautics and Space Administration-Technical Note-D-944, 1961.
Caren, R. P., and R. M. Coston, “Design and Construction of an Engineering Model Solid Cryogen Refrigerator for Infrared Detector Cooling at SOK," National Aeronautics and Space Administration-Contractor Report-988, Lockheed Missiles and Space Co,, . January 1968.
Clausing, A. M.,and В. T. Chao, “Thermal Contact Resistance in a Vacuum Environment,” J, of Heat Transfer, May 1965, pp. 243-251.
Colver D. В. et al., -'Design and Development of Cryogenic Turbo Refrigerator Systems/.* Air Force Flight Dynamics Laboratory-Technical Report-72-154, General Electric R & D Center, Schenectady, NY, April 1973.
Cryenco, “Cryogenic Data," A Division of Cryogenic Technology, Inc., Denver, CO, Cryogenic1 Technology Staff, “Cryocooler Specifications/' Bulletin 7-75-013, Cryogenic Technology, Inc^ Waltham, MA, July 1975.
Cryogenic Technology Staff, “Design and Performance Data for Cryodyne Refrigerators," Bulletin 7-75-001, Technical Document Service-5058, Cryogenic Technology, Inc., Waltham, MA, July 1975.
Cryogenic Technology Staff, New Products Brochure, Cryogenic Technology, Inc., Waltham, MA, August 1975.
Cryomech Staff, “Cryorefrigerator Data Sheets," Cryomech, Inc., Jonesville, NY, 1975.
Cunnington, G. R., “Thermal Conductance of Filler Aluminum and Magnesium Joints in a Vacuum Environment," American Society of Mechanical Engineers, paper presented at American Society of Mechanical Engineers Meeting, NY, 29 November 1964.
Daunt, J. G., et al., “Miniature Cryogenic Refrigerators," AD 697 972, Stevens Institute of Technology, August 1969.
Davis, D. A., and R. L. Drake, "Monte Carlo Direct View Factor Program and Generalized Radiative Heat Transfer Program," Document No. AS-2110. The Boeing Co., Seattle, WA, 1966.
DeBrosse, K. L, et al., “A Day-Night High Resolution Infrared Radiometer Employing Two-State Radiant Cooling,” Part I, National Aeronautics and Space Administration- Contractor Report-94600, 11 December 1967.
Donabedian, M., “Survey of Cryogenic Cooling Techniques," SAMSO-Technical Report- 73-34, AD 755 780, October 1972.
Donohoe, M. J., et al., “Radiant Coolers-Theory, Flight Histories, Design Comparisons and Future Applications,” American Institute of Aeronautics and Astronautics Paper 7 5-184, 20 January 197 5,
Eckert, E. R. G., “Radiation,” Handbook of Heat Transfer, Part A, Section 1 5, W. M. Rohsenow and J. P. Hartnett (eds.), McGraw-Hill Book Co., 1973.
Eckert, E. R. G,, and R. M. Drake, Jr., Heat and Mass Transfer, McGraw-Hill Book Co., NY, 1959.
Egli, P. H., Thermoelectricity, John Wiley and Sons, NY, 1958.
Fakes, V. M., Applied Thermodynamics, MacMillan and Co., NY, 1947.
Fine, H., “An Insight into the Features of ОАО Thermal Design," American Society of Mechanical Engineers Paper 7 3-ENAs-46, 20 August 197 3.
Fontenot, J. E., “Thermal Conductance of Contacts and Joints," Report No. D5-12206, AD 479 008, The Boeing Co., Aerospace Division, 1964.
Garret Corp., “Radiator Design for Space Vehicles,” Airesearch Manufacturing Division, Los Angeles, CA, March 1972.
Gifford, W. E., and H. O. McMahon, “a Low Temperature Heat Pump," Proceedings of the Tenth International Conference of Refrigeration, Vol. 1, Copenhagen, Denmark, August 1959, American Society of Heating, Refrigerating, and Air Conditioning Engineers, New York, NY, U.S. Patent Nos. 2,966,035 and 3,119,237.
Glaser, P. E., et al., “Thermal Insulation System, A Survey,” National Aeronautics and Space Administration-Special Publication-5027, 1967.
Green, W., Thermoelectric Handbook, Westinghouse Electric Corporation, 1962.
Gross, U. E., et al., “Solid Cryogen Cooler Design Studies and Development of an Experimental Cooler," Air Force Flight Dynamics Laboratory-Technical Report-68-1, Aerojet- General Corp, Azusa, CA, March 1968.
Herring, R. N., et al„ -Solid Cryogen Cooler Development,- Ball Brothers Research Corp Boulder, CO, presented at the National Aeronautics and Space Administration Cryo^ genic Workshop, Marshall Space Flight Center, Huntsville, AL, 29-30 March 1973
Hughes Aircraft Co., “Long Life, High Capacity VuiUeumier Refrigerator for Space Ap- plications,” Air Force Flight Dynamics Laboratory-Technical Report-75-108, Hughes Aircraft Co., Culver City, CA, September 1975.
Hughes Aircraft Company, “VuiUeumier Cycle Cryogenic Refrigeration Systems for Infrared Scanner Applications," Air Force Flight Dynamics Laboratory-Technical Report-71-18, August 1971.
Hymatic Engineering Staff, “Miniature Cryogenic Systems," The Hymatic Engineering Co., Worcestershire, England, July 1975.
Jensen, C. L., and R. G. Gobel, “Thermal Radiation Analysis System (TRASYS) User’s Manual,” MCR-73-105, Martin Marietta, May 1973.
Jensen, H. L, et al., “Investigation of External Refrigeration Systems for Long Term Cryogenic Storage,” Lockheed Missilesand Space Company Report A903162, Lockheed Missilesand Space Co., 28 May 1970.
Jokl, A. L., and R. B. Flemming, “Miniature Turbomachinery Cryogenic Refrigeration Systems,” Paper presented at the Intersociety Energy Conversion Conference, Las Vegas, NV, 20 September 1970, American Society of Mechanical Engineers New York, NY.
Jones, J. B., and G. A. Hawkins, Engineering Thermodynamics, John Wiley and Sons, NY, 1960.
Kreith, F., Principles of Heat Transfer, International Textbook, Scranton, PA, 1958.
Kunkle, J. S., (ed.), Compressed Gas Handbook, National Aeronautics and Space Administration-Special Publication-3045, National Aeronautics and Space Administration, Washington, DC, 1960.
Lehrfeld, D., and G. Pitcher, “An Oil Lubricated Triple Expansion VM Cooler for Long Duration Space Missions," Air Force Flight Dynamics Laboratory-Technical Report- 73-149, Vol. 1, Phillips Lab., Briarcliff Manor, NY, December 1973.
Lockheed Missiles and Space Company, “Nimbus F Two-Stage Solid Cryogen Cooler,” Lockheed Missiles and Space Co., Inc., Sunnyvale, CA, Final Report-0358720, 15 April 1974.
London, J., “A Study of the Atmospheric Heat Balance,” Final Report Contract Air Force 19(122)-165, AD 117 227, Air Force Cambridge Research Center-Technical Report-57-287, Dept, of Meteorology and Oceanography, New York University, July 1957.
Magee, F. N., et at, “VuiUeumier Cycle Cryogenic Refrigerator Development," AD 841 543, Hughes Aircraft Co., Culver City, CA, August 1968.
Marlow Industries Staff, “Thermoelectric Cooler Specifications," Marlow Industries, Inc., Garland, TX, January 1977.
McAdams, W., (ed.), Heat Transmission, 3rd Edition, McGraw-Hill, NY, 1954.
Miller, B., “New Sensor Cooling Unit Developed," Aviation Week and Space Technology, 20 November 1972, pp. 76-78.
Minnesota Valley Engineering Catalog, New Prague, MN, June 1970.
Nakano, G. H., et al., “A Satellite Bome High-Resolution GE(Li) Gamma Ray Spectrometer System," presented at Institute of Electrical and Electronics Engineers Nuclear Science Symposium, San Francisco, CA, 14-16 November 1973.
National Aeronautics and Space Administration, “Earth,Albedo and Emitted Radiation," Special Publication-8067, July 1971.
National Aeronautics and Space Administration, “Solar Electromagnetic Radiation," Special Publication-8005, Revised May 1971.
National Bureau of Standards, “A Compendium of the Properties of Materials at Low Temperature,” Wright Air Development Division-Technical Report-60-56, Part 1, National Bureau of Standards, Washington, DC, October 1960.
National Bureau of Standards, “Thermal Conductivity of Metals and Alloys at Low Temperatures, A Review of the Literature,” U.S. Dept, of Commerce, National Bureau of Standards, NBS Circular 556, 1954.
Pitcher, G. K., and F. K. du Pre, Advances in Cryogenic Engineering. Vol. 15, 1969,j)p. 447-451.
Rittenhouse, J. B., et aL, Space Materials Handbook, Supplement No. 1, National Aeronautics and Space Administration-Special Publication-3025, 1966.
Rosi, F. D., et al., “Materials for Thermoelectric Refrigeration,” J. Physical Chemistry, Vol. 10, 1959, pp. 191-200.
Santa Barbara Research Center, Goleta, CA, “The Infrared Brochure,” 1973.
Schneider, P. J„ “Conduction," Section 3, Handbook of Heat Transfer, W. M. Rohsenow and J. P. Hartrett (eds.) McGraw-Hill Book Co., 1973.
Scott, R. B., Cryogenic Engineering, D. Van Nostrand Co., Inc., Princeton, NJ, 1959.
Nuclear Systems, Inc., “Solid State Cooling-Thermoelectric Module Selection Guide," Nuclear Systems, Inc., Garland, TX, Bulletin No. 70*001, 1970.
Siegel, R., and J. R. Howell, Thermal Radiation Heat Transfer, McGraw-Hill Book Co., New York, NY, 1972.
Sotos, C. J., et al., “Radiant Interchange View Factors and Limits of Visibility for Differential Cylindrical Surfaces with Parallel Generating Lines," National Aeronautics and Space Administration-Technical Note-D-2 5 56, 1964.
Stoecker, W. F., Refrigeration and Air Conditioning, McGraw-Hill Book Co., New York, 1958.
Submarine Systems Staff, “Cryogenic Refrigerator System for Infrared Detector Arrays,” Submarine Systems Corp., Chatsworth, CA, Specifications SC02-0670, CS01-0470, 1972.
Tang, К. T., “Peltier (Thermoelectric) Cooling of Infrared Detectors," The Garrett Corp., Los Angeles, CA, Report GR-16-R, June 1960.
Touloukian, Y. S., et al., Thermophysical Properties of Matter, Thermal Conductivity, Vol. 2, Non-Metallic Solids, Vol. 3, Metallic Elements and Alloys, Thermophysical Properties Research Center (TPRC), Purdue University, Plenum Publication, New York, NY, 1970.
Touloukian, Y. S., et al.. Thermophysical Properties of Matter, “Thermal Radiative Properties, Thermophysical Properties Research Center, Purdue University, Plenum Publication, New York, NY, 1972.
Veziloglu, T. N., Correlation of Thermal Contact Conductance Experimental Results, Progress of Astronautics and Aeronautics, 20, Academic Press, NY, 1967.
Weibelt, J. A., Engineering Radiation Heat Transfer, Holt, Rinehart and Winston, New York, NY, 1966.
Wnght, J. P., and W. R. Pence, “Development of a Cryogenic Heat Pipe Radiator for a Detector Cooling System," paper presented at the Society of Automotive Engineers- Amencan Society of Mechanical Engineers-American Institute of Aeronautics and Astronautics Intersociety Conference, San Diego, CA, 16-19 July 1973. American Society of Mechanical Engineers, New York, NY, 73-ENAs-47.
К гл. 17
Цитируемая литература
J. F. Pierce, Transistor Circuit Theory and Design. С. E. Merrill Books, Columbus OH, 1963
J. B. Johnson, “Thermal Agitation of Electricity in Conductors,” Physical Review, American Physical Society, Menasha, WI, Vol. 32, No 97, 1928, pp. 97-109.'
H. Nyquist, “Thermal Agitation Electric Charge in Conductors," Physical Review. American Physical Society, Menasha, WI, Vol. 32, No. 110, 1928, p. HO.
A. van der Ziel and A. G. T. Becking, “Theory of Junction Diode and Junction Transistor Noise,” Proceedings of the IRE, J. D. Ryder (ed.), The Institute of Radio Engineers, New York, NY, Vol. 46, No. 1, 1958, pp. 589-594.
A. van der Ziel, “Noise Aspects of Low Frequency Solid-State Circuits," Solid- State/Design. Horizon House, Brookline, MA, March 1962, pp. 39-44.
Edward G. Nielsen, “Behavior of Noise Figure in Junction Transistors," Proceedings of the IRE. D. G. Funk (ed.), The Institute of Radio Engineers, New York, NY, 195 7, pp. 95 7-963.
A. van der Ziel, “Noise in Junction Transistors,” Proceedings of the IRE, J. D. Ryder (ed.), The institute of Radio Engineers, New York, NY, 1958, pp. 1019- 1038.
Richard Brubaker, “Semiconductor Noise Figure Considerations," Motorola Semiconductor Products, Phoenix, AZ, Note AN-421, August 1968.
Rudolph D. Kasser, “Noise Factor Contours for Field-Effect Transistors at Moderately High Frequencies," IEEE Transactions on Electron Devices, John A. Copeland (ed.), Institute of Electrical and Electronics Engineers. New York, NY, Vol. ED-19, No. 2, February 1972, p. 165.
T. L Chiu and H. N. Ghosh, Solid-State Electronics. Pergamon Press, Oxford, England, Vol. 14, 1971, pp. 1307-1317.
. Siliconix Staff, Siliconix Field Effect Transistors Data Book. Siliconix Semiconductor Devices, Siliconix, Santa Clara, CA, 1976, pp. 4-24.
W. Milton Gosney, “Subthreshold Drain Leakage Currents in MOS Field-Effect Transistors," IEEE Transactions on Electron Devices, John A. Copeland (ed.), Institute of Electrical and Electronics Engineers, New York, NY, Vol. ED-19, No. 2, February 1972, pp. 213-219.
F. M. Klaassen, “On the Substrate Current Noise in MOS Transistors Beyond Pinchoff," Proceedings of the IEEE, Joseph E. Rowe (ed.), Institute of Electrical and Electronics Engineers, New York, NY, Vol. 59, No. 2, February 1971, pp. 331-332.
Hughes Technical Staff, “The FET as a Switch," Hughes Aircraft Company, MOS Division, Newport Beach, CA. No. 68-04, 1968.
Hughes Technical Staff, “MOSFET Operation in Basic Circuitry," Hughes Aircraft Company, MOS Division, Newport Beach, CA., No. 68-03, 1968.
G. E. Tobey, et al., Operational Amplifiers: Design and Application, McGraw- Hill, New York, NY, 1971.
Texas Instruments Staff, Transistor Circuit Design, McGraw-Hill, New York, NY, 1963.
Z. Neumark, “Tribo-Elect ricity and Microphonic Noise in Infrared Systems,” Infrared Physics. Pergamon Press, Oxford, England, Vol. 4, 1964, pp. 67-71.
Библиография
Bell D. A., Electrical Noise. D. Van Nostrand, New York, NY, 1960.
Brubaker, Richard, “Semiconductor Noise Figure Considerations,” Motorola Semiconductor Products, Phoenix, AZ, Note AN-421, August 1968.
Chiu, T. L, and H. N. Ghosh, Solid-State Electronics, Pergamon Press, Oxford, England, Vol. 14, 1971, pp. 1307-1317.
Electronics Instruments Digest Staff, “Grounding Low-Level Instrumentation Systems.” Electronic Instruments Digest, January 1966.
Gardner, Murray F., and John L. Barnes, Transients on Linear Systems, John "Wiley and Sons, New York, NY, 1958.
Gosney, W. Milton, “Subthreshold Drain Leakage Currents in MOS Field-Effect Transistors,” IEEE Transactions on Electron Devices, John A. Copeland (ed.), Institute of Electrical and Electronics Engineers, New York, NY, Vol. ED-19, No. 2, February 1972, pp. 213-219.
Hudson, Richard D., Jr., Infrared System Engineering, John Wiley and Sons, New York, NY, 1969.
Hughes Aircraft Staff, “The FET as a Switch,” Hughes Aircraft Company, MOS Division Newport Beach, CA, No. 68-04, 1968.
Hughes Technical Staff, “MOSFET Operation in Basic Circuitry,” Hughes Aircraft Company, MOS Division, Newport Beach, CA, No. 68-03, 1968.
Johnson, J. B., “Thermal Agitation of Electricity in Conductors,” Physical Review, American Physical Society, Menasha, WI, Vol. 32, No. 97, 1928, pp. 97-109.
Kasser, Rudolph, “Noise Factor Contours for Field-Effect Transistors at Moderately High Frequencies,” IEEE Transactions on Electron Devices, John A. Copeland (ed.), Institute of Electrical and Electronics Engineers, New York, NY, Vol. ED-19, No. 2, February 1972, p. 165.
Klaassen, F. M., ‘On the Substrate Current Noise in MOS Transistors Beyond Pinchoff,” Proceedings of the IEEE, Joseph E. Rowe (ed.). Institute of Electrical and Electronics Engineers, New York, NY, Vol. 59, No. 2, February 1971, pp. 331-332.
Neumark, Z., Tribo-Elect ricity and Microphonic Noise in Infrared Systems,” Infrared Physics, Pergamon Press, Oxford, England, Vol. 4, 1964; pp. 67-71.
Nielsen, Edward G„ “Behavior of Noise Figure in Junction Transistors,” Proceedings of rhe IRE, D. G. Funk (ed.), The Institute of Radio Engineers, New York NY, 1957, pp. 957-963.'
Nyquist, H., “Thermal Agitation Electric Charge in Conductors,” Physical Review, American Physical Society, Menasha, WI, Vol. 32, No. 110, 1928, p. 110.
Pettit Joseph M„ and M. McWhorter, Electronic Amplifier Circuits: Theory and Design, McGraw-Hill, New York, NY, 1961.
^^3 F ” ТГаЛШ,°Г C"CUil THeOry Qnd Desi^n- C- E- Mcni11 Books, Columbus, OH, Riddle, Robert L, and M. P. Ristenbatt, Transistor Physics and Circuits, Prentice Hall, 468
Englewood, NJ, I960, First Edition.
Siliconix Staff, Siliconix Field Effect Transistors Data Book, Siliconix Semiconductor Devices, Siliconix, Santa Clara, CA, 1976.
Texas Instruments Staff, Transistor Circuit Design, McGraw Hill, New York, NY, 1963.
Tobey, G. E.t et al., Operational Amplifiers: Design and Application, New York, NY, 1971.
van der Ziel, A., “Noise Aspects of Low-Frequency Solid-State Circuits,” Solid-Statef Design, Horizon House, Brookline, MA, March 1962, pp. 39-44.
van der Ziel, A., “Noise in Junction Transistors," Proceedings of IRE, J. D. Ryder (ed.), The Institute of Radio Engineers, New York, NY, 1958, pp. 1019-1038.
van der Ziel, A., and A. G. T. Becking, “Theory of Junction Diode and Junction Transistor Noise,” Proceedings of IRE, J. D. Ryder (ed.), The Institute of Radio Engineers, New York, NY, Vol. 46, No. 1, 1958, pp. 589-594.
Альбедо Земли 351Болометр 20отклик температурный 22теплопроводность эффективная 21типы 22. 23устойчивость работы 22чувствительность 21, 22шум 23Вещество криогенное 318Видеоусилительрасчет 144, 146, 176Видикон 162мишень 171сигнал 174Гамма 267Джоуля- Томсона криостат 301Диафрагма апертурная 19Задержка луча 170Излучение 355Ирикон 248Конвекция 357Контрастностьпоказатель 267Корабль космическийбаланс тепловой 313Космособстановка тепловая 349Коэффициентпропускания зеркальный 265сопротивления температурный 20холодильный 321Кремникон 188инерционность 194мишень 190расплывание изображения 190способность разрешающая 192температура рабочая 197характеристика световая 194чувствительность спектральная 191Машина холодильная 321МДП-структура 105диаграмма зонная 109напряжение плоских зон 109носители неосновные 112 распределение потенциала 111 ток темновой 112Мезоскоп 257МНОП -структура 137Модуляция излучения 51Непрозрачность 265Окно оптическое 19Отражатель солнечный 374Альбедо Земли 351Болометр 20отклик температурный 22теплопроводность эффективная 21типы 22. 23устойчивость работы 22чувствительность 21, 22шум 23Вещество криогенное 318Видеоусилительрасчет 144, 146, 176Видикон 162мишень 171сигнал 174Гамма 267Джоуля- Томсона криостат 301Диафрагма апертурная 19Задержка луча 170Излучение 355Ирикон 248Конвекция 357Контрастностьпоказатель 267Корабль космическийбаланс тепловой 313Космособстановка тепловая 349Коэффициентпропускания зеркальный 265сопротивления температурный 20холодильный 321Кремникон 188инерционность 194мишень 190расплывание изображения 190способность разрешающая 192температура рабочая 197характеристика световая 194чувствительность спектральная 191Машина холодильная 321МДП-структура 105диаграмма зонная 109напряжение плоских зон 109носители неосновные 112 распределение потенциала 111 ток темновой 112Мезоскоп 257МНОП -структура 137Модуляция излучения 51Непрозрачность 265Окно оптическое 19Отражатель солнечный 374
Альбедо Земли 351
Болометр 20
отклик температурный 22
теплопроводность эффективная 21
типы 22. 23
устойчивость работы 22
чувствительность 21, 22
шум 23
Вещество криогенное 318
Видеоусилитель
расчет 144, 146, 176
Видикон 162
мишень 171
сигнал 174
Гамма 267
Джоуля- Томсона криостат 301
Диафрагма апертурная 19
Задержка луча 170
Излучение 355
Ирикон 248
Конвекция 357
Контрастность
показатель 267
Корабль космический
баланс тепловой 313
Космос
обстановка тепловая 349
Коэффициент
пропускания зеркальный 265
сопротивления температурный 20
холодильный 321
Кремникон 188
инерционность 194
мишень 190
расплывание изображения 190
способность разрешающая 192
температура рабочая 197
характеристика световая 194
чувствительность спектральная 191
Машина холодильная 321
МДП-структура 105
диаграмма зонная 109
напряжение плоских зон 109
носители неосновные 112 распределение потенциала 111 ток темновой 112
Мезоскоп 257
МНОП -структура 137
Модуляция излучения 51
Непрозрачность 265
Окно оптическое 19
Отражатель солнечный 374
Альбедо Земли 351
Болометр 20
отклик температурный 22
теплопроводность эффективная 21
типы 22. 23
устойчивость работы 22
чувствительность 21, 22
шум 23
Вещество криогенное 318
Видеоусилитель
расчет 144, 146, 176
Видикон 162
мишень 171
сигнал 174
Гамма 267
Джоуля- Томсона криостат 301
Диафрагма апертурная 19
Задержка луча 170
Излучение 355
Ирикон 248
Конвекция 357
Контрастность
показатель 267
Корабль космический
баланс тепловой 313
Космос
обстановка тепловая 349
Коэффициент
пропускания зеркальный 265
сопротивления температурный 20
холодильный 321
Кремникон 188
инерционность 194
мишень 190
расплывание изображения 190
способность разрешающая 192
температура рабочая 197
характеристика световая 194
чувствительность спектральная 191
Машина холодильная 321
МДП-структура 105
диаграмма зонная 109
напряжение плоских зон 109
носители неосновные 112 распределение потенциала 111 ток темновой 112
Мезоскоп 257
МНОП -структура 137
Модуляция излучения 51
Непрозрачность 265
Окно оптическое 19
Отражатель солнечный 374
ПРЕДМЕТНЫЙ УКАЗАТЕЛЬ
Панорамирование 215
Лириков 171
изображение, модуляция 215
обработка 219
инерционность 219
конструкция 204
минимальная разрешаемая разность
температур 233
мишень, материалы 235
сетчатая 225
МПФ 224. 227
пьедестал 205, 209, 214
смешение сигналов 223
считывание 207, 211
характеристики 223
чувствительность 226, 229
шумы 230
Плотность
изображения аналитическая 283
интегральная 283
почернения 265
Плюмбикон 162
диск противоореольный 203
инерционность 203
мишень 197
способность разрешающая 201
температура рабочая 203
характеристики механические 203
чувствительность спектральная 200
Повторитель эмиттерный 394
Полупроводник узкозонный 147
Предусилитель 379
шум 382
Преобразование фотоэлектрическое 18
Прибор с зарядовой инжекцией 149
Прибор с зарядовой связью
быстродействие 129
временная задержка накопление 140
«жирный нуль» 128
инфракрасный 140
гибридный 152
инжекция токовая прямая 152
монолитный 144
на основе барьера Шоттки 150
переднего обзора 141
конструкция 119
линейка 133
матрица 134
монолитный примесный 144
собственный 147
обработка сигнала 137
мультиплексирование 139
параметры 126
перенос заряда 115
механизмы 116
— потери 128
эффективность 126, 128
перистальтический 131
приемники изображения 133
при низких температурах 130
регистр сдвига 119
схемы буферные 158
Теплоприемниктемпература эффективная 352Теплопроводность 353Термикон 242мишень губчатая 242характеристики 245Термопара 24сопротивление динамическое 25Транзисторбиполярный 393полевой 390. 395Фотодиодрабочая точка наилучшая 36Фотоприемник 18Фотопроводимость 32полупроводника собственного 94Фотоэффект внешний 39Хартера Дриффилди кривые 266Цикл термодинамическийБрайтона 328Вюлсмье 324Джиффорда Микмана!Солвея 327Джоуля Томсона замкнутый 333идеальный 319Стирлинга 322Шум 382когерентный 172полевых транзисторов 181Эвапорограф 253Эджеогрф 255Экспозиция 265эффективная 275Элемент фоточувствнтсяьцый 18Эффектфотовольтаический 34фотоэлектрома.гннтный 38Теплоприемниктемпература эффективная 352Теплопроводность 353Термикон 242мишень губчатая 242характеристики 245Термопара 24сопротивление динамическое 25Транзисторбиполярный 393полевой 390. 395Фотодиодрабочая точка наилучшая 36Фотоприемник 18Фотопроводимость 32полупроводника собственного 94Фотоэффект внешний 39Хартера Дриффилди кривые 266Цикл термодинамическийБрайтона 328Вюлсмье 324Джиффорда Микмана!Солвея 327Джоуля Томсона замкнутый 333идеальный 319Стирлинга 322Шум 382когерентный 172полевых транзисторов 181Эвапорограф 253Эджеогрф 255Экспозиция 265эффективная 275Элемент фоточувствнтсяьцый 18Эффектфотовольтаический 34фотоэлектрома.гннтный 38
Теплоприемник
температура эффективная 352
Теплопроводность 353
Термикон 242
мишень губчатая 242
характеристики 245
Термопара 24
сопротивление динамическое 25
Транзистор
биполярный 393
полевой 390. 395
Фотодиод
рабочая точка наилучшая 36
Фотоприемник 18
Фотопроводимость 32
полупроводника собственного 94
Фотоэффект внешний 39
Хартера Дриффилди кривые 266
Цикл термодинамический
Брайтона 328
Вюлсмье 324
Джиффорда Микмана!Солвея 327
Джоуля Томсона замкнутый 333
идеальный 319
Стирлинга 322
Шум 382
когерентный 172
полевых транзисторов 181
Эвапорограф 253
Эджеогрф 255
Экспозиция 265
эффективная 275
Элемент фоточувствнтсяьцый 18
Эффект
фотовольтаический 34
фотоэлектрома.гннтный 38
Теплоприемник
температура эффективная 352
Теплопроводность 353
Термикон 242
мишень губчатая 242
характеристики 245
Термопара 24
сопротивление динамическое 25
Транзистор
биполярный 393
полевой 390. 395
Фотодиод
рабочая точка наилучшая 36
Фотоприемник 18
Фотопроводимость 32
полупроводника собственного 94
Фотоэффект внешний 39
Хартера Дриффилди кривые 266
Цикл термодинамический
Брайтона 328
Вюлсмье 324
Джиффорда Микмана!Солвея 327
Джоуля Томсона замкнутый 333
идеальный 319
Стирлинга 322
Шум 382
когерентный 172
полевых транзисторов 181
Эвапорограф 253
Эджеогрф 255
Экспозиция 265
эффективная 275
Элемент фоточувствнтсяьцый 18
Эффект
фотовольтаический 34
фотоэлектрома.гннтный 38
устройства входиые( выходные) 122
затвор плавающий 125
метод выравнивания потенциалов 124
- область диффузионная 122
- режим временной задержки накопления 125
запоминающие 135
хранение заряда 108
частота Найквиста 128
шум 130
Приемник излучения
геометрия 53
качество, показатели 55
на основе примесного кремния 93
тройных соединений 97
параметры 50
расчет 65
пироэлектрический 27
сигнал выходной 51
тепловой, предел обнаружения 28
термовольтаический 261
термопневматический 27
фотонный, предел обнаружения 42
фотоотклик 52
характеристики, измерение 57
- спектральные 53
чувствительность 4!
шум 42. 48
Пучок считывающий 167
Пьедестал 175
Система охлаждения
криогенной жидкостью 304
на основе эффекта Джоуля- Томсона 300
с твердым хладагентом 312
Способность обнаружительная удельная 381
Схема эквивалентная шумовая 385
Теплоизоляция 362
Теплообмен 373
Теплопередача
теория 353
ОГЛАВЛЕНИЕ
Приемники азлучсния. Т. Лимперис, Дж. Мудар 5
Введение 5
Элементы теории тепловых приемниковизлучения 19
Элементы теории фотонных приемниковизлучения 31
Измерение характеристик приемников излучения 50
Параметры и характеристики серийно производимых тепловых приемников излучения 71
Параметры и характеристики серийно производимых фотонных приемников излучения 71
13;Приборы с зарядовой связью. Э. Стекл 105
Введение 105
Основы приборов с зарядовой связью 108
Приборы с зарядовой связью для ИК-области спектра (ИК ПЗС). . . .140
Передающие телевизионные трубки. Дж. Холл 162
Введение 162
Телевизионные системы обнаружения 162
Видиконы-общие характеристики 166
Видеопредусилители для камер с видиконами 173
Типы видиконов 188
Трубки дчя специальных применений и трубки, представляющие интерес в историческом плане 242
Фотографические пленки. Г. Сьюте260
Введение 260
Доступные инфракрасные пленки и пластинки 262
Гиперсенсибилизация 265
Определение плотности почернения и экспозиции . 265
Сенситометрические характеристики 266
Спектральная чувствительность и коэффициенты пропускания фильтра 271
Характеристики взаимозаместимости 274
Эффективный рабочий спектральный диапазон комбинации пленка- фильтр 275
Цветная инфракрасная пленка 277
Денситометрия 280
Модуляционные передаточные кривые 284
Инфракрасная полупроводниковая фотография 286
Криогенные системы охлаждения. М. Донабедьян289
Введение 289
Характеристика систем охлаждения и рекомендациипоихвыбору . . .289
Характеристики криогенных веществ 297
Системы разомкнутого цикла 300
Механические холодильные машины 319
Термоэлектрические системы охлаждения 335
Радиационные системы охлаждения 341
Справочные данные для теплового анализа систем охлаждения 348
17.17.Предусилители фотоенгнала. У. Слоун . .ВведениеШумАктивные элементы электронных схем .Операционные усилителиПредусилители фотосигнала на основе ОУСинхронное детектированиеОб источнике питанияРекомендации по заземлению . . . .Кабели с низким уровнем шума . . . .Предусилители фотоенгнала. У. Слоун . .ВведениеШумАктивные элементы электронных схем .Операционные усилителиПредусилители фотосигнала на основе ОУСинхронное детектированиеОб источнике питанияРекомендации по заземлению . . . .Кабели с низким уровнем шума . . . .379 379 382 393400 403409 410 411411379 379 382 393400 403409 410 411411Дооо-тнеянеЛитератураПредметным указательДооо-тнеянеЛитератураПредметным указатель412428470412428470
17.
17.
Предусилители фотоенгнала. У. Слоун . .
Введение
Шум
Активные элементы электронных схем .
Операционные усилители
Предусилители фотосигнала на основе ОУ
Синхронное детектирование
Об источнике питания
Рекомендации по заземлению . . . .
Кабели с низким уровнем шума . . . .
Предусилители фотоенгнала. У. Слоун . .
Введение
Шум
Активные элементы электронных схем .
Операционные усилители
Предусилители фотосигнала на основе ОУ
Синхронное детектирование
Об источнике питания
Рекомендации по заземлению . . . .
Кабели с низким уровнем шума . . . .
379 379 382 393
400 403
409 410 411
411
379 379 382 393
400 403
409 410 411
411
Дооо-тнеяне
Литература
Предметным указатель
Дооо-тнеяне
Литература
Предметным указатель
412
428
470
412
428
470
Справочное издание
Томас Лимперис, Джозеф Мудар, Эндрю Стекл и др.СПРАВОЧНИК ПО ИНФРАКРАСНОЙ ТЕХНИКЕ
Под редакцией У. Волфа, Г. Цисиса
В четырех томах
Том 3
Приборная база ИК-систем
Зав. редакцией Т.Г. ХохловаВедущий редактор А.Г. ШемятенковРедактор Л.В. Тарасова
Художественный редактор О.Н. АдаскинаТехнический редактор Т.А. МаксимоваХудожник Д.В. СтуликовКорректор Г.И. Герман
Лицензия ЯР № 010174 от 20.05.97 г.
Сдано в набор 17.10.94. Подписано к печати 28.01.99. Формат 60 х 90/16. Бумагаофсетная. Печать офсетная. Гарнитура Таймс. Объем 14,75 бум. л. Усл. печ. л. 29,50.
Уч.-изд. л. 34,77. Изд. № 7/9143. Тираж 500 экз. Заказ 631. С 035
Издательство «Мир» Государственного комитета Российской Федерации по печати
129820, ГСП, Москва. И-НО, 1-й Рижский пер., 2
Отпечатано в Производственно-издательском комбинате ВИНИТИ.
140010. Люберцы, Октябрьский пр-кт, 403, тел. 554-21-86
ISBN 5-03-002926-5
9 785030 02926т
21 В условиях равновесия генерационный и рекомбинационный потоки носителей равны и некоррелированы; следовательно, дисперсия шума возрастает вдвое, а среднеквадратичное отклонение-в ^ раз-Прим, перев.
11 В настоящее время существует большое число моделей, удовлетворитель
но описывающих шум 1//в различных электронных приборах. Неясным продол
жает оставаться более фундаментальный вопрос, почему при всем различии этих
моделей результат-характер частотной зависимости плотности шума-один
и тот же. (См. книгу: Букингем М. Шумы в электронных приборах и системах.-
М.: Мир, 1986. гл. 6).-Прим. персе.
1) Такую электродную систему называют фазой ПЗС.- Прим, перев.
В данном разделе рассматриваются параметры и характеристики
ПЗС, связанные с переносом и вводом/выводом заряда. В первую
очередь изучается влияние на характеристики приборов неэффективнос
ти переноса, о которой упоминалось в разд. 13.2.1. Затем обсуждаются
источники шума в ПЗС и дается оценка их влияния. В основном эти два
фактора и определяют параметры ПЗС как устройства преобразования
сигнала, поскольку оба они формируют ОСШ на выходе прибора. Так
как речь идет о характеристиках ПЗС, применяемых в ИК-системах (а
последние обычно работают в условиях охлаждения), описывается также
работа ПЗС при низких температурах.
Эффективность переноса. Эффективность переноса заряда определя-
ется как отношение заряда, передаваемого из одной ячейки в следу
ющую, к заряду, первоначально имеющемуся в первой ячейке. Таким
образом,
П, + 8,= 1.^13 46)
Здесь ех - коэффициент потерь заряда, или неэффективность переноса.
бьию показано в разд. 13.2.1, Лх и е, при малых временах переноса
мни В1?мени’ новому их следует рассматривать в связи с задан-
эЛЛектввяпс^кЧаСТ°Т0И Полная (°т входа до выхода прибора)
переноса ПЗС г)хТ является функцией числа ячеек п.
круг приборов, чем МОПТ Практически46 ГОВОря2 охватывается более широкий тояшее время являются транзистооами ^“Р™»0 выпускаемые ПТИЗ в нас- рик) полупроводник. Поэтому на поакт^ рук1Урои металл-окисел (диэлект- вать как идентичные и использовать^ Jr И аббРсвиатуры можно рассматри- Прим. перев. пользовать наиболее употребительную из них - МОПТ.-