Материал: Пироэлектрические свойства кристаллов

При этом достигается значение порога чувствительности по дозе, близкое к минимальному. Из выражения (108) следует также, что порог чувствительности детектора данного объема не зависит от того, является ли детектор приемником продольного или поперечного типа. ППИ обладает равномерной угловой чувствительностью, т. е. является изотропным детектором.

Определим диапазон измерений ППИ по длительности сигналов и их мощности. Хотя анализ в модели системы сосредоточенных параметров не позволяет найти предел инерционности ППИ, который определяется скоростью установления спонтанной поляризации, эксперименты по исследованию лазерных импульсов оценивают эту величину как 10^-10 с. Поскольку гамма-излучение поглощается объемом детектора, от ППИ в данном случае можно ожидать предельного быстродействия.

Верхний предел измеряемых длительностей определяется постоянной времени τ_т и составляет несколько секунд.

Диапазон измеряемых мощностей доз ограничен снизу порогом чувствительности ППИ. Для ППИ из титаната бария объемом 1 см³ чувствительность по дозе равна 10^-1 рад. Верхняя граница определяется нелинейностью характеристик ППИ (пирокоэффициента и диэлектрической проницаемости) при перегреве и по мере приближения его температуры к точке Кюри. Для керамики из титаната бария постоянство характеристик наблюдается приблизительно до 60°С, допустимый перегрев может составить 40°С. Решая уравнение теплопроводности (91), можно определить максимальное значение дозы, соответствующее приросту температуры в 40°С; которое составляет около 2 - 10⁶ рад. Таким образом, диапазон измерения дозы для ППИ перекрывает семь порядков. Диапазон измеряемых мощностей доз зависит от, диапазона измерения доз и длительности импульса. Диапазон измеряемых мощностей доз в импульсе оказывается чрезвычайно широким: от 10^-1 до 10¹⁵ рад/с.

2. Пироактивные материалы

.1 Критерии качества

Исследования ППИ в разных режимах работы показали , что значения характеристик ППИ существенным образом зависят от констант пироактивного материала, из которого изготовлены их чувствительные элементы.

Из анализа приведенных выше уравнений (27), (28), (39), (42), (43), (46), (67), (69), (70), (74), (102) - (105), (107), (108) следует, что выражения для чувствительностей и порогов чувствительности ППИ можно представить в виде произведения двух множителей, один из которых (критерий качества) состоит только, из констант материала. Такими критериями качества используемых пироактивных материалов являются

 (109)

Учитывая соотношение (ρ, Ом · м)

, (110)

фактор М₃ можно переписать в виде

. (111)

На низких частотах модуляции, когда преобладающими являются шумы Джонсона, для получения высокой пороговой чувствительности следует выбирать материал для ППИ с высоким значением величины M₃. Однако, когда шумы усилительной схемы больше джонсоновских, предпочтительными являются пироактивные материалы с высокими значениями М₁. Для разработки ППИ с высокими вольт-ваттной и вольт-джоулевой чувствительностями необходимо использовать материалы с большими значениями фактора М₂.

Сегнетоэлектрические материалы для чувствительных элементов ППИ изготовляются в виде тонких слоев, на которые наносятся электроды и поглощающие покрытия. При этом существенную роль играет однородность материала. Деполяризующее поле в тонкослойном сегнетоэлектрике толщиной менее 100 мкм приводит к размытию и смещению температур максимумов пироэлектрического коэффициента и диэлектрической проницаемости , появлению спонтанной поляризации выше точки Кюри, смещению петель гистерезиса и др. Поэтому в последние годы начаты исследования тонкослойных сегнетоэлектриков, являющихся составной частью сэндвичной системы металл - сегнетоэлектрик - металл.

Экспериментально показано, что в тонкослойных сегнетоэлектриках (тоньше 100 мкм) начинается подавление пироэлектрических свойств. Существует критическая толщина чувствительного элемента ППИ, тоньше которой показатели качества начинают падать быстрее, чем толщина чувствительного элемента. Критическая толщина различна для разных кристаллов и зависит от технологии получения слоя.

Таким образом, выбор пироактивного материала для ППИ требует детального анализа. При этом существенную роль играют соотношения между величинами С_вх и С_кр.

2.2 Триглицинсульфат и ему изоморфные

Наиболее широко используемыми для разработки высокочувствительных ППИ и сравнительно легко получаемыми в настоящее время являются монокристаллы триглицинсульфата ТГС →(NH₂CH₂COOH)₃ · H₂S0₄. Благодаря хорошим диэлектрическим свойствам и простой технологии этот кристалл используется как элемент памяти в счетно-решающих устройствах, в приборах для температурной автостабилизации, в диэлектрических усилителях, как чувствительный элемент сегнетоэлектрических приемников излучения и т. д.

Для разработки приемников также могут быть использованы изоморфные ТГС: триглицинфторбериллат - ТГФБ →(NH₂CH₂COOH)₃ · H₂BeF₂ и триглицинселенат - ТГСе → (NH₂CH₂COOH)₃ · H₂Se0₄ и твердые растворы на их основе.

Триглицинсульфат и ему изоморфные выше температуры фазового перехода принадлежат к центросимметричной точечной группе 2/m моноклинной системы. Ниже температуры фазового перехода зеркальная плоскость m исчезает, и кристаллы переходят в сегнетоэлектрическую фазу, относящуюся к точечной группе 2 моноклинной системы. Кристаллы обладают осью симметрии второго порядка - моноклинной осью b, которая является особенной полярной осью. Вдоль нее проявляются сегнетоэлектрические свойства кристаллов группы ТГС. Хотя габитус кристаллов сложен, ось b достаточно четко выражена. С помощью пилы для резки водорастворимых кристаллов можно легко получить пластинки, перпендикулярные оси b (плоскость 010). Полученные описанным выше методом пластины называются y-срезами (ось у || b). В дальнейшем пластины толщиной 1 мм утончаются различными технологическими приемами. Толщина чувствительного элемента приемника на основе ТГС составляет от 25 до 70 мкм. Более тонкие слои ТГС трудно получать, сохраняя при этом свойства массивного образца. Кроме того, слои становятся механически непрочными. Одним из условий эффективной работы ППИ на сегнетоэлектриках является стабильное монодоменное состояние. Стабильность характеристик ППИ связана со стабильностью спонтанной поляризации в их чувствительных элементах, зависящей от внутреннего электрического поля, определяемого объемными зарядами и контактами. Известны несколько способов стабилизации спонтанной поляризации и получения устойчивого униполярного состояния. Основные из них - воздействие рентгеновского и гамма-облучения, обработка поверхности кристалла, нанесение электродов с различной работой выхода и введение присадок в процессе роста монокристалла.

Чистые ТГС и ему изоморфные обладают вообще нестабильной доменной структурой и неустойчивой униполярностью. Поэтому без специальных мер, направленных на повышение униполярности кристаллов и стабилизации доменной структуры, эти кристаллы не могут быть использованы для промышленных разработок. Легирование ТГС ионами хрома, никеля и меди позволило повысить стабильность монодоменного состояния. Однако наилучшие результатыбыли получены путем введения органических присадок L - α-аланина [СН₃СН · (NH₂)C0₂H] в процессе роста кристаллов ТГС. Обладая стабильной монодоменной структурой, LАТГС по другим характеристикам также превосходит чистый ТГС. Он обладает более низкими диэлектрическими потерями и проявляет пироактивность вплоть до 60-80°С, при которых чувствительность ППИ только в два раза хуже, чем при комнатной температуре.

Повышение точки Кюри в монокристаллах ТГС может быть достигнуто путем их дейтерирования. Дейтерированный ТГС (ДТГС) →(ND₂CD₂C00D)₃ · D₂S0₄ обладает более высокой, чем триглицинсульфат, точкой Кюри (60° С), однако широкого применения не нашел из-за нестабильности характеристик.

Более интересные результаты получены на смешанных кристаллах ТГС и ТГСе, а также ТГС и ТГФБ, позволивших получить более высокий пироэлектрический коэффициент при комнатной температуре (в первом варианте) и расширить рабочий диапазон (во втором). Увеличение концентрации ТГС в твердом растворе ТГС_х/ТГСе_1-x приводит к повышению температуры фазового перехода от 22 до 49°С и уменьшению пироэлектрического коэффициента γ при комнатной температуре. Изменением концентрации составных компонент ТГС_x /ТГСе_1-x и его толщины достигнуты рекордные значения порога чувствительности ПИИ и ППИ на его основе при комнатной температуре. На основе кристаллов ТГС в настоящее время разработана керамика.

3. Основные типы ППИ и их применение в детектирующих устройствах

.1 Одноэлементные приемники

Приемники (рис. 3.1.1) с чувствительной площадкой в виде плоско-параллельной пластины - самый распространенный вид ППИ.

Рис. 3.1.1. Одноэлементные ППИ и схемы их включения

ППИ с чувствительными элементами на тонких подвесах (а), на тонкой эластичной подложке(б), на твердой основе из теплопроводящего материала (в): 1 и 3 - металлические электроды; 2 - пироактивный кристалл; 4 - электровводы; 5 - подвесы; 6 - кольцо; 7 - теплопроводящая основа; включение ППИ без подполяризующего поля (г) и с подполяризующим полем (д, е).

Площадь приемного элемента ППИ может варьироваться в очень широких пределах: от 10^-3 до 100 мм², сохраняя при этом высокую степень равномерности зональной чувствительности. В этом смысле пироэлектрические приемники, будучи емкостными элементами, имеют определенное преимущество перед болометрами и термопарами

На рис. 3.1.2 приведена номограмма зависимости вольт-ваттной чувствительности и порога чувствительности от размеров приемной площадки.

Рис. 3.1.2. Зависимость вольт-ваттной чувствительности и порога чувствительости ППИ от размеров его чувствительного элемента, изготовленного из ТГС толщиной 30 мкм при R_н = 10¹⁰Ом и f =10(1),10²(2), 10⁹(3) Гц.

Известны три вида конструкций одноэлементных ППИ (см. рис. 3.1.1, а - в) с чувствительными элементами на тонких подвесках, на тонкой эластичной подложке (типа майлар) и твердой основе из теплопроводящего материала. Общими признаками всех конструкций являются пироактивный кристалл 2 с металлическими электродами 1 и 3, нанесенными методом распыления в вакууме на его противоположные стороны, и поглощающее покрытие на облучаемом электроде. В ряде случаев облучаемый электрод является полупрозрачным, что особенно существенно при разработке быстродействующих ППИ.

ППИ с чувствительными элементами на тонких подвесках 5, которые крепятся в точках проводящим клеем к металлическим напыленным электродам 2 и 5 и массивным электродам 4, используют при работе на низких частотах модуляции, когда существенны малые теплопотери. Их недостатком является слабая виброустойчивость и ненадежность точечных контактов.

Пироэлектрические приемники излучения с чувствительными элементами, находящимися на твердом основании, предназначены для работы на средних и высоких частотах модуляции. На низких частотах модуляции чувствительность таких приемников падает при прочих равных условиях из-за теплоотвода подложки.

3.2 Полостные приемники

Полостные ППИ с чувствительными элементами в виде полой сферы (рис. 3.2.1, а) обладают высокой поглощательной способностью в широком спектральном интервале главным образом за счет геометрического фактора.

Поглощательную способность ППИ сферического типа можно оценить с помощью приближенного соотношения:

, (113)

где D₀ и R_от - диаметр сферы и радиус входного отверстия в ней; г₀ - коэффициент отражения.

Пироэлектрические приемники сферического типа могут быть использованы для измерения интенсивных радиационных потоков. Но для этого их внутренняя поверхность покрывается тугоплавким слоем с большой отражательной способностью. При облучении происходит перераспределение радиационного потока, проходящего через входное окно, по всей внутренней поверхности сферы, расширяется динамический диапазон приемника и предохраняется поверхность первичного попадания лучей от разрушения.

При исследовании интенсивных радиационных потоков, выбирая , можно непосредственно измерять мощность импульсов излучения. Недостатком этих приемников является то, что они могут быть изготовлены только с продольными электродами и их инерционность определяется временем прохождения фронта тепловой волны через облучаемый электрод. Поэтому постоянная времени ППИ сферического типа порядка 10^-5 с. Кроме того, входное отверстие в сфере практически сложно увеличить более чем на 1-2 мм², так как при этом для сохранения высокой поглощательной способности необходимо увеличивать ее диаметр, а это уже приводит к потере чувствительности.

Появление ППИ сферического типа, послужило толчком к усилению работ по исследованию спектральных характеристик приемников излучения и работ по абсолютной спектрометрии и радиометрии. Появился ряд сообщений о разработках установок для измерения спектральных характеристик тепловых и фотоэлектрических приемников излучения в широком спектральном интервале, а также о новых полостных приемниках излучения, изготовленных в виде черных тел и приемников с высокой поглощательной способностью.

В настоящее время сферические пироэлектрические приемники полного поглощения находят применение в качестве эталонных приемников в метрологических устройствах для обеспечения единства измерений в видимой и ИК области спектра. ППИ сферического типа могут быть также использованы для измерения характеристик непрерывного излучения ОКГ и для импульсных измерений лазеров в режиме свободной генерации. Однако при измерении импульсов ОКГ в режиме с модулированной добротностью эти приемники уже непригодны.

Для измерения импульсов ОКГ длительностью порядка 10^-6- 10^-8 были разработаны ППИ поперечного типа с чувствительными элементами в виде полых конусов и клиньев (см. рис. 3.2.1, б). Такие приемники по сравнению со сферическими ППИ обладают приемной площадкой больших размеров (порядка 100 мм²).

Расчет поглощательной способности клинообразного и конусообразного приемника можно провести по геометрическому построению и по данным о поглощательной и отражательной способности материала внутренней поверхности. Приближенно потери излучения при зеркальном отражении от материала в случае параллельного пучка можно вычислить следующим образом:

 (114)

где q₃ - коэффициент зеркального отражения;  - среднее число отражений  (где - угол при вершине конуса или клина).

При диффузном отражении потери могут быть определены по формуле

 (115)

Следует отметить, что при современном состоянии расчетов черных тел трудно получить гарантированную точность лучше 1%. Однако в большинстве случаев при спектральных и радиационных измерениях эта точность вполне достаточна.

Пироэлектрические приемники клинообразного и конусообразного типов наряду с положительными качествами, такими, как неселективность в широком спектральном интервале, быстродействие и большая приемная площадка, обладают существенным недостатком - неравномерностью зональной чувствительности, связанной с неравномерностью поляризации в конусе, а в клине - за счет наличия нерабочих граней.

Представленные на рис. 3.2.1, в ППИ с чувствительным элементом в виде составного клина сочетают достоинства клинообразных и конусообразных приемников с более высокой равномерностью зональной и угловой чувствительностей. Это достигается созданием полостного ППИ поперечного типа с чувствительным элементом в виде черного тела, образованного четырьмя рабочими равночувствительными пироактивными пластинами, имеющими одинаковые геометрические размеры, с электродами, нанесенными на ребра пластин с облучаемой и противоположной ей сторон. Следует отметить, что чувствительность ППИ полостного типа все же не очень высока на низких частотах модуляции: их порог чувствительности составляет около 2 · 10^-8 Вт/Гц^1/2.