[拼音]:retanceqi

[外文]:thermal detectors

利用探测元件吸收入射辐射而产生热、造成温升,并借助各种物理效应把温升转换成电量的原理而制成的器件。最常用的有温差电偶、测辐射热计、高莱管、热电探测器。

一般来说,热探测器的接收元由于表面涂黑它的光谱响应是无选择性的,它只受透光视窗光谱透射特性的限制,因此主要应用于红外区和紫外区,但它的响应率较低、响应速度慢、机械强度低,近来由于热电探测器和薄膜器件的发展,上述缺点已有所改进。

温差电偶和温差电堆

温差电偶(热电偶)是利用温差电现象制成的一种器件,由两种能产生显著温差电的金属丝(如铜和康铜)或P型和N型半导体构成。把两种材料的一结点涂金黑(或铂黑)或覆盖上镀黑的薄片,以吸收辐射并引起温升,这一结点称为热端;而未加热的一端称为冷端。在热端和冷端有温差时,回路中会产生温差电动势,其数值与辐射量有关:

ε=p(T)ΔT。

式中ε为温差电动势值,p(T)为温度T时的温差电动势率,ΔT为吸收光产生的温差。

温差电堆(热电堆)是把若干个温差电偶串接而成,目的是显著地提高其响应率,其典型结构示于图1。

测辐射热计

测辐射热计是利用热敏电阻构成的探测器。当热敏电阻吸收光(在红外区常称辐射)出现温升后会引起阻值的变化,如果用一负载电阻与热敏电阻串联并施加偏压,那么从负载电阻或热敏电阻上取出的输出电压的变化量与入射的光量有关。

常常把一对参量相同的热敏电阻密封在一起其中一个接受光照,然后利用桥式电路取出与光量相关的电讯号。优点是减小了外界温度变化造成的影响。

热敏电阻可以是金属(铂、镍、金)的也可以是半导体的,前者线性比较好,后者响应率较大。也有利用低温半导体(掺杂Ga和In的Ge、Si)和低温超导材料的,它们噪声小、响应率高,可测很微弱的辐射或远红外辐射。

高莱管

是主要利用小容量的气体受热膨胀使柔镜变形的原理探测辐射的器件。它的原理示于图2。当辐射被薄膜吸收产生温升,气体受热膨胀,使镀银的柔镜弯曲。光源发出的光经光栅聚焦到柔镜上,经此镜反射回的光栅像再经过光栅投射到光电管上。当柔镜受压弯曲光栅像相对于光栅位移,使投射到光电管的光通量发生变化,光电管的输出讯号的变化量反映出辐射量的大小。这种探测器时间响应慢,但能探测弱光,主要应用于光谱仪器中。

热电探测器

是利用居里点以下的热电晶体的自发极化强度与温度有关的原理制成的器件(见热电性)。当热(释)电晶体薄片吸收辐射产生温升时,在薄片极化方向产生电荷变化为

ΔQ=pTAΔT,

式中ΔQ为电荷变化量,pT为温度T 时的热释电系数, A为吸收辐射的表面的面积,ΔT为晶体的温升值。当用调制的辐射照射时晶体的温度不断变化, 电荷也随之变化,从而产生电流,它的数值与调制的辐射量有关。

在恒温下,晶体内部的电荷分布被自由电子和表面电荷中和,在两极间测不出电压。当温度迅速变化时,晶体内偶极矩会产生变化,产生瞬态电压,所以热(释)电探测器只能探测调制的辐射或辐射脉冲,它的响应时间快,可达纳(10-9)秒数量级,并能在常温下工作。此外它仅由晶体片镀以电极构成探测元,因此机械强度很高,克服了红外探测器容易损坏的缺点,响应的谱段从γ射线到亚毫米波,是目前发展最快的热探测器。

热电探测器所用的材料主要有钛酸钡、硫酸三甘肽(TGS)、掺镧的锆钛酸铅(PLZT)、铌酸锂和铌酸锶钡。近年来也采用多晶、陶瓷和塑料,可按需要制成各种形状的探测器。

参考书目

R. J. Keyes, Optical and InfRared Detectors, Thermal Detectors,Springer-Verlag, Berlin, Heidelberg, New York,1977.

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