Таблица 21.

Выходные характеристики пакетной батареи

В табл. 21 приведены выходные характеристики рассмотренной пакетной пленочной батареи (ширина ветви b = 10 мм), такие, как термоэлектрическая эффективность Zt при 300 К, V при АТ = 1 К, внутреннее сопротивление Лвн, выходная мощность W при ДГ 1 К, максимальная хладопроизводительность Fornax при ДГ = О К, ТОК / В рожимс максимальной хладопроизво-дительности, а также максимальный перепад температуры ДГщах на холодных спаях (Гг =00 К).

4.3. Приемники излучения

на основе пленочных термобатарей

Как уже отмечалось, в пленочной батарее из-за малого сечения ветвей можно существенно увеличить количество активных элементов единице объема по сравнению с объемными батареями. Это важное преимущество при создании приемников излучения. Остановимся более подробно на области применения таких приемников.

Приемники излучения предназначены для преобразования оптического излучения в электрическую энергию. По принципу действия приемники делятся на фотонные и тепловые. С помощью фотонных приемников считают число фотонов, поступающих а единицу времени. Качество счета характеризуется квантовым выходом т], т. е. отношением числа обнаруженных фотонов к числу упавших на приемник. При этом поглощаются лишк те кванты, энергия которых достаточна для возбуждения носителей заряда и возникновения различных фотоэффектов. В настоящее время широко применяются фотовольтаические, фоторезистивные, фотоэлектромагнитные, фотоэмиссионные приемники излучения [276, 277].

В тепловых приемниках используется эффект повышения температуры за счет энергии фотонов. Сравнительно малая скорость тепловых процессов обеспечивает интегрирование энергии, поступающей в виде отдельных квантов. Степень использования посту-

пающей энергии определяется поглощающей способностью поверхности чувствительного элемента. 1В идеальном случае этот параметр близок к единице и практически не зависит от длины волны принимаемого излучения.

Отличие тепловых приемников от фотонных приводит к различию их спектральных характеристик (рис. 4.7). Для тепловых приемников спектральная характеристика в принципе представляет собой горизонтальную линию. В фотонных приемниках имеется пороговая длина волны (в мкм), за которой он нечувствителен

1,24,

Рис. 4.7. Спектральная чув -етвительность фотонного (1) и теплового (2) приемников излучения

где & - энергия активации (ширина запрещенной зоны, работа выхода и т. д.) в эВ. Кроме того, фотонные приемники регистрируют не энергию излучения, а число поглощенных фотонов. Так как энергия фотона обратно пропорциональна длине волны, то с ростом последней растет и число фотонов, соответствующее постоянной величине энергии в единичном спектральном интервале. Поэтому в фотонных приемниках спектральная чувствительность растет с увеличением К вплоть до значения Яп.

Для получения фотонного приемника, чувствительного в длинноволновой области, выбирают материал с узкой запрещенной; зоной. Но чем меньше Eg, тем больше концентрация носителей заряда, возбужденных не фотонами, а термическим путем. Чтобы уменьшить этот эффект, необходимо приемник охлаждать. В первом приближении считают, что фотонные приемники, чувствительные к излучению с длиной волны до 3 мкм, не требуют охлаждения. В диапазоне 3-5 мкм (фотосопротивления PbS, PbSe) необходимо охлаждение до 195 К, а для фотосопротивлений и фотодиодов, работающих в диапазоне 7-12 мкм (CdjcHgi-cTe, PbjcSiii-acTe), требуется охлаждение по меньшей мере до 77 К. В то же время при эксплуатации тепловые приемники обычно не охлаждаются.

Поэтому в каждом конкретном случае приходится выбирать между фотонными приемниками, для которых характерны высокая чувствительность и малая инерционность в сочетании с селективностью и необходимостью.глубокого охлаждения при излучении с X 3 мкм, с одной стороны, и неселективными, не требующими охлаждения, но менее чувствительными (на один-два порядка) и более инерционными тепловыми приемниками,- с другой.

В зависимости от природы используемых тепловых эффектов различают следующие типы тепловых приемников: болометры,

у которых при изменении температуры меняется электрическое сопротивление чувствительного элемента; термоэлементы, использующие термоэлектрический эффект Зеебека; пироэлектрические приемники, действие которых основано на изменении параметров сегнетоэлектрика под действием падающего лучистого потока; оптикоакустические приемники, в основе которых лежит свойство увеличения объема газа при повышении температуры. Подробный сравнительный анализ указанных приемников изложен в [277]. Отметим, что для термоэлектрических приемников характерны простота конструкции, стабильность характеристик, отсутствие источника тока.

Приемники излучения характеризуются рядом параметров.

Вольт-ваттная чувствительность. Этот параметр равен отношению среднеквадратичного значения напряжения выходного сигнала F, измеренного на основной частоте (если падающее излучение модулировано с частотой со), к мощности падающего излучения. В случае термоэлектрического приемника вольт-ваттная чувствительность

(4.3)

где а - суммарное значение коэффициента термо-ЭДС р- и п-ветви (а = I а„ I -f ар), Gt - суммарный коэффициент теплопередачи между приемной площадкой и корпусом приемника, имеющим температуру окружающей среды в расчете на один термоэлемент, би - коэффициент излучения приемной площадки.

Когда перенос тепла от горячих спаев к холодным обусловлен только теплопроводностью ветвей (передача тепла, обусловленная излучением и теплообменом с окружающим воздухом сведе-шы к минимуму), выражение (4.3) преобразуется к виду

(44)

где I, Fg - длина и площадь поперечного сечения термоэлектрической ветви. Следовательно, используя материалы, обеспечивающие высокое значение а/х (полупроводники АВ и АВ) в пленочном исполнении {FJI < 1), можно добиться значительного роста Sb*

Постоянная времени* Промежуток времени от начала облучения приемника до момента, когда его выходной сигнал достигает заданной части установившегося значения при длительном облучении, называют постоянной времени приемника. У большинства приемников (в частности, термоэлектрических) выходной сигнал нарастает по экспоненциальному закону

VVoli- ехр (- /т,)], поэтому т„ - время достижения сигнала 0,63 установившегося