Пироэлектрические свойства кристаллов

2. Пироактивные материалы

2.1 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 (с, 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 -- б-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 г 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

3.1 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.

Размещено на http://www.allbest.ru/

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.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 3.2.1. Пироэлектрические приемники полного поглощения излучения с чувствительными элементами в виде полой сферы (а), в виде клина и конуса (б), составного клина (в) и с зеркальной полусферой (г).

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.

Большую чувствительность при высокой поглощательной способности дают ППИ с зеркальной полусферой, в которых отраженное от приемника излучение вновь собирается на нем (рис. 3.2.1, г). Порог чувствительности ППИ с зеркальной полусферой составляет величину (1--3) · 10^-9 Вт/Гц^1/2 на низких частотах модуляции при использовании в качестве чувствительных элементов монокристаллов ТГС.

Полостные ППИ особенно перспективны как приемно-чувствительные элементы радиационных калориметров.

Рассмотрим более подробно работу пироэлектрического радиационного калориметра (ПРК) (рис. 3.2.2), получившего в настоящее время широкое распространение.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 3.2.2. Схема работы ППИ в режиме ПРК: принципиальная схема включения ПРК (а), временные зависимости импульса излучения (6), температуры (в) и напряжения сигнала на выходе ПРК (г).

При воздействии радиационного импульса прямоугольной формы длительностью ф_и и энергией Е₀=W₀ ф_и (рис. 3.2.2) температура облучаемой стороны чувствительного элемента в течение действия импульса возрастает и достигает максимума в момент его окончания (рис. 3.2.2, в, кривая 1). В каком-то сечении, параллельном облучаемой поверхности внутри чувствительного элемента, температурный максимум наступает с опозданием (рис. 3.2.2, в, кривая 2). Принципиально важным является то, что среднее значение температуры чувствительного элемента и_ср, достигая определенного значения в конце действия импульса, сохраняет его вплоть до времени тепловой диффузии ф_д=d²/n для чувствительного элемента, закрепленного на массивном теплоотводе (либо до времени ф_т при другом виде теплообмена), если выполняется условие

(116)

Физически это означает, что тепловые потери за период измерения t_изм будут очень малы и практически не будут происходить, а ППИ в этот период будет консервативной системой, и_ср -- постоянным. При этом выходной сигнал U будет пропорционален и_ср и энергии импульса Е (рис. 3.2.2, г).

Заключение

Интерес к пироэлектричеству и его приложениям, главным образом к пироэлектрическим приемникам излучения, достаточно велик.

Пироэлектрические приемники излучения считают одним из наиболее перспективных классов приемников излучения. Это связано с тем, что наряду с высокой чувствительностью они обладают быстродействием фотоприемников, являясь при этом тепловыми детекторами. Пироэлектрические приемники излучения обладают определенной степенью универсальности, заключающейся в том, что изменением нагрузочного сопротивления можно менять в широких пределах их чувствительность и инерционность. Пироэлектрические приемники излучения являются емкостными детекторами, что позволяет изготовлять их чувствительные элементы в виде фигур произвольной формы - конусов, клиньев, сфер и т.д. с размерами приемных площадок от 10^-4 до 10⁶ мм².

Кроме того, пироэлектрические приемники излучения в работе не требуют специальных источников питания и криогенных систем, достаточно технологичны, стабильны и надежны, способны выдерживать тепловые, механические и радиационные воздействия в трудных условиях эксплуатации.

Потенциальные возможности пироэлектрических приемников излучения очень широки.

Список литературы

[1] Кременчугский Л.С., Ройцина О.В. Пироэлектрические приемники излучения. - Киев. 1979, 382 с.

[2] Шаскольская М.П. Кристаллография. М., 1984, 376 с.

[3] Желудев И.С. Основы сегнетоэлектричества. М., 1973, 472 с.

[4] Сонин А.С., Струков Б.А. Введение в сегнетоэлектричество. М., 1970, 271 с.

Размещено на Allbest.ru