Физические принципы работы приемников излучения

Устройства, предназначенные для преобразования энергии оптического излучения в электрическую энергию, называются приемниками излучения. Иногда к приемникам относят устройства, преобразующие невидимое инфракрасное (ИК) и ультрафиолетовое (УФ) излучения в видимое. Такие устройства обычно называются электронно-оптическими преобразователями (ЭОПами).

Приемники осуществляют связь между оптической и электрической частями прибора. В приемнике происходят основные физические процессы преобразования энергии. Он зачастую определяет требования ко всей системе, т. е. в основе конструкции прибора лежит выбор приемника излучения.

Приемники можно разделить на три большие группы: тепловые (неселективные), фотоэлектрические (фотонные или селективные) и прочие (пондеромоторные и др.).

В основе работы тепловых приемников лежит сложное преобразование лучистой энергии в тепловую, а затем в электрическую. Они преобразуют излучение независимо от спектрального состава. Эти приемники можно подразделить на ряд групп. Одной из групп таких приемников являются термоэлементы, работа которых основана на использовании термоэлектрического эффекта, заключающегося в возникновении ЭДС при нагреве одного из спаев разнородных проводников и полупроводников.

Работа болометров основана на изменении сопротивления проводников или полупроводников при их нагреве за счет лучистой энергии.

Существуют также оптико-акустические приемники, в основе работы которых лежит явление расширения объема газа при повышении его температуры за счет поглощения падающего излучения.

В основе работы пироэлектрических приемников излучения лежит явление возникновения на поверхности пластины из сегнетоэлектрика при ее нагреве электрических зарядов.

Большую группу приемников составляют различного типа калориметры, в основе работы которых лежат эффекты изменения тепловых характеристик материала калориметра, которые затем с помощью вторичных преобразователей преобразуются в электрический ток.

В основе работы фотоэлектрических приемников (фотоприемников) лежит процесс непосредственного изменения их электрических свойств под воздействием излучения. Фотоэлектрические приемники реагируют только на количество эффективно поглощенных квантов. Фотоэлектрическое действие может проявляться различным способом. Во-первых, за счет внешнего фотоэффекта, когда под действием излучения из тела в вакуум эмиттируются электроны. При этом поглощенная энергия сообщается электронам вещества, часть из которых покидает вещество, образуя электронный ток.

Используется также явление внутреннего фотоэффекта, когда под действием поглощенного излучения происходит перевод электронов из связанного состояния в свободное.

Фотоприемники, работа которых основана на явлении фотопроводимости (изменении электропроводности под действием излучения), называются фоторезисторами (фотосопротивлениями).

Другое проявление внутреннего фотоэффекта в системах, состоящих из двух контактирующих веществ, заключается в возникновении фотоэлектрической электродвижущей силы (ЭДС) на границах системы при облучении приконтактной области. Это проявление внутреннего фотоэффекта известно, как вентильнй эффект. Такие фотоприемники называют вентильными фотоэлементами или фотоприемниками с запирающим слоем. Фототок в этих приемниках возникает при отсутствии внешнего питающего напряжения. Если в качестве контактирующих веществ в вентильных фотоприемниках применять полупроводники с различным типом проводимости, то наряду с возникающей разностью потенциалов между слоями с “p ” и “ n ” проводимостью, образуется разность потенциалов, направленная вдоль p-n- перехода. Эту фотоэлектрическую ЭДС называют продольной (боковой), а фотоприемники – фотоприемниками с продольным (боковым) фотоэффектом.

Вентильные фотоприемники, в основном работающие с приложенным внешним электрическим напряжением, называются фотодиодами.

Фотоприемниками являются также фототранзисторы – приборы с n-p-n или p-n-p- переходами, работающие как фотодиоды но с внутренним усилением фототока.

К преобразователям можно отнести электронно-оптические преобразователи (ЭОПы), матрицы ПЗС (приборов с зарядовой связью), электронно-лучевые трубки (ЭЛТ), сканисторы, эвапарографы и некоторые другие устройства визуализации УФ, ИК и рентгеновского излучения в видимое.

Кроме классификации по физическому принципу работы, приемники можно подразделять на отдельные группы:

-по области спектральной чувствительности (работающие в УФ, видимой, ближней, средней, дальней и сверхдальней ИК областях спектра);

-по рабочей температуре чувствительного слоя (неохлаждаемые, работающие при комнатных температурах Т»300 К; охлаждаемые, работающие при Т»78-195 К, и глубокоохлаждаемые, работающие при Т£20 К).

Можно провести классификацию приемников по конструктивному признаку (одноплощадочные, многоплощадочные и мозаичные).

Отдельную группу составляют координатно-чувствительные приемники, сигнал на выходе которых зависит от места падения излучения на чувствительный слой фотоприемника. К ним относятся инверсионные, разрезные, многоплощадочные приемники, сканисторы, матрицы ПЗС, телевизионные трубки.

Необходимость сравнительной оценки различных приемников с точки зрения их работы приводит к созданию общего способа описания их свойств с помощью системы параметров и характеристик. Эта система в общей своей части должна одинаково описывать свойства различных приемников. Для этого используются следующие основные параметры и характеристики приемников излучения.