Охлаждение приемников излучения

Как было показано выше, все объекты в инфракрасной области спектра являются «самосветящимися», если их температура выше абсолютного нуля. Это испускание излучения, следующее закону Планка, является фундаментальной причиной ограничения характеристик приемников излучения. Действительно, если вследствие собственного излучения приемники сами «светятся», в области длин волн их чувствительности (3 - 5 и 8 - 14 мкм) очень трудно обнаружить слабое излучение, поступающее извне.

Чтобы повысить обнаружительную способность, нужно «заглушить» собственное излучение чувствительного элемента и примыкающих к нему элементов прибора (диафрагмы поля зрения). Это достигается охлаждением приемника до температур, при которых шум собственного излучения становится пренебрежимо малым.

Кроме того, охлаждение очень маленьких чувствительных элементов с малой теплоемкостью позволяет предотвратить чрезмерный их нагрев под действием интенсивного и продолжительного облучения. Наконец, охлаждение приемников уменьшает шум от теплового возбуждения носителей заряда внутри чувствительного элемента, т.е. повышает обнаружительную способность.

В настоящее время существуют четыре способа охлаждения:

- сжиженными газами;

- за счет эффекта Джоуля - Томсона;

- криогенными машинами;

- за счет термоэлектрического эффекта.

Выбор того или иного способа зависит от требований к рабочей температуре приемника, мощности холодильника и от окружающих условий. Способ использования сжиженных газов, весьма подходящий в лабораторных исследованиях, промышленности и медицине, неприемлем для военной техники. Другие методы, разработанные в основном для военных целей, уже используются в некоторых гражданских областях.

Термоэлектрическое охлаждение

Термоэлектрический эффект Пельтье состоит в поглощении или выделении тепла на спае двух различных металлов или полупроводников, когда по этим проводникам протекает ток 1. Если р₁ и р₂ - термо-э.д.с. первого и второго материалов соответственно, то количество тепла, получаемого на спае при температуре Т в кельвинах, выражается формулой

Q = (р₁ - р₂ )ТI

Рис. 3. Эффект Пельтье

Пусть показанное на рисунке направление тока I относительно спая С положительно, разность р₁ – p₂ тоже положительна; тогда на этом спае выделяется тепло (Q > О). В тех же условиях на спае F направление тока I обратное, разность р₁ – p₂ отрицательна и тепло поглощается (Q < О). Следовательно, температура спая С возрастает, в то время как температура спая F понижается. Количество тепла, выделяемое спаем F, переносится к спаю С. Положение меняется на обратное, если изменить направление тока (I < О). Следовательно, просто изменением направления тока можно нагревать или охлаждать спай (другой спай будет соответственно охлаждаться или нагреваться).

Поведение системы, однако, ограничено условиями теплового равновесия, которое определяется эффектом Пельтье (p₁ и p₂), теплопроводностью материалов (k₁ и k₂) и рассеянием мощности в проводниках в соответствии с эффектом Джоуля, пропорциональным удельному сопротивлению металлов p₁ и p₂.

Максимальный перепад температур между двумя спаями определяется тогда по формуле:

.

Величина Z = (р₁ - p₂)² / (k₁ + k₂)(р₁ + p₂) называется добротностью системы. Нужно выбирать материалы с такими термоэлектрическими свойствами, чтобы величина ΔТ была как можно большей. На практике наиболее часто используется материал Bi₂Те₃. Этот материал n-типа (термо­-э.д.с. отрицательна) соединяется с тем же материалом р-типа (термо-э.д.с. положительна). Соединение осуществляется медным мостиком.

Рис. 4

Охлаждающая способность такого модуля довольно мала, часто требуется каскадное соединение нескольких модулей.

На практике достигаются следующие температуры (при нулевой нагрузке):

- 30 °С (243 К) для одного каскада 1 = 6 А, U = 0,8 В, элемент 1 х 1 см²;

- 60 °С (213 К) для двух каскадов 1 = 5,5 А, U =1 В, элемент 1 х 1; 0,5 х 0,5 см²;

- 75 °С (198 К) для трех каскадов 1 = 1,5 А, U = 4 В, элемент 1 х 1; 0,7 х 0,7; 0,5 х 0,5 см²;

- 85 °С (188 К) для четырех каскадов;

- 100 °С (173 К) для шести каскадов.

Эти температуры недостаточны для приемников, работающих при 77 К, но вполне пригодны для приемников, работающих при промежуточных температурах.

Прuмер. Селенид свинца PbSe имеет достаточно высокую обнаружительную способность при Т = 195 К. Эта температура обеспечивается трехкаскадным термоэлектрическим охлаждением (ТЭО).