Анізотропний термоелектричний приймач випромінювання

Корисна модель відноситься до термоелектричних приладів і знайде застосування в теплопірокалориметрії, ІЧ- і лазерній техніках, електроніці та теплобаченні. Він призначений для визначення розподілу променевих потоків в їх поперечному перерізі у широкому спектральному та енергетичному діапазонах. Відомі пристрої [1], що містять тепловирівнюючі та тепловіддаючі деталі, а також анізотропні елементи. Вони дозволяють визначати геометричні координати точкових променевих потоків по площині як в неперервному, так і в імпульсному режимах. Із існуючих аналогів найбільш близьким по технічній суті є анізотропний термоелектричний координатночутливий приймач неселективного випромінювання, який працює в режимах поверхневого і об'ємного поглинаннях, а також оптичної прозорості [2]. Він складається з анізотропного термоелемента у вигляді чотирьохгранної прямокутної призми, чотирьох електричних виводів та термостатуючого корпусу з діафрагмою. Такий приймач визначає координати теплової плями, яка викликана випромінюванням у випадку, коли площа поперечного перерізу теплового потоку, що викликає цю пляму, значно менша за площу робочої грані анізотропного термоелемента. Визначати енергетичні параметри випромінювання та розподіл його густини на площини робочої грані приймача цей прилад не спроможний. Тому досить актуальним є завдання підвищення дозволяючої здатності анізотропного термоелектричного приймача для визначення розподілу густини неселективного або когерентного випромінювань по площині. Вказане завдання розв'язується тим, що анізотропний термоелектричний приймач складається з термостатуючого корпусу, електровиводів і анізотропного термоелемента у вигляді чотиригранної прямокутної призми із термоелектрично анізотропного матеріалу, кристалографічні вісі з максимальною та мінімальною термо-е.р.с., якої розташовані в площині, що створена її довжиною а і висотою в і орієнтовані під кутом j = 45 o до нижньої робочої грані, при цьому верхня робоча грань (а х с) містить послідовно розташовані поглинаючий та електропровідний, з'єднаний з загальним електровиводом шари, а нижня робоча грань (а х с) за допомогою точкових електроконтактів, що рівномірно та симетрично через відстані Dа = Dс розташовані відповідно вздовж довжини а та ширини с, електрично з’єднана з електровиводами, які закріплено в об’ємі діелектричного термостатуючого корпусу та ви ходять на його протилежну сторону. У корисної моделі запропоновано принципово нове рішення для анізотропних приймачів випромінювання, яке полягає в тому, що анізотропний термоелектричний приймач складається з термостатуючого корпусу, електровиводів і анізотропного термоелемента у вигляді чотиригранної прямокутної призми із термоелектрично анізотропного матеріалу, кристалографічні вісі з максимальною та мінімальною термо-ерс, якої розташовані в площині, що створена її довжиною а і висотою в і орієнтовані під кутом j = 45 o до нижньої робочої грані, при цьому верхня робоча грань (а х с) містить послідовно розташовані поглинаючий та електропровідний, з'єднаний з загальним електровиводом шари, а нижня робоча грань (а х с) за допомогою точкових електроконтактів, що рівномірно та симетрично через відстані Dа = Dс розташовані відповідно вздовж довжини а та ширини с, електрично з’єднана з електровиводами, які закріплено в об’ємі діелектричного термостатуючого корпусу та виходять на його протилежну сторону. Промислове використання запропонованого винаходу не вимагає спеціальних технологій і матеріалів, його реалізація можлива на існуючих підприємствах електронної і приладобудівної промисловості. На фіг.1 і 2 представлено схематичну конструкцію запропонованого пристрою. Анізотропний термоелектричний приймач (фіг. 1, фіг. 2) містить анізотропний термоелемент 4 довжиною а, висотою в та шириною с (а = сññв), який своєю нижньою робочою гранню (а х с) знаходиться в тепловому контакті з діелектричним корпусом-термостатом 7. Термоелемент 4 виконано з термоелектрично анізотропного матеріалу у вигляді прямокутної чотиригранної призми так, що кристалографічні вісі з максимальною та мінімальною термое.р.с. розміщенні в площині, яка утворена довжиною а та її висотою в і орієнтовані під кутом j = 45 o до нижньої робочої грані (а х с). Верхня робоча грань (а х с) містить послідовно розташовані поглинаючий шар 1 з піровуглецю та електропровідний шар 2 з металу, наприклад з міді, який за допомогою дроту 3 з'єднаний з електровиводом 6. Нижня робоча грань (а х с) містить точкові мікроконтакти, що рівномірно та симетрично через відстані Dа = Dс розташовані відповідно вздовж довжини а та ширини с термоелемента 4. Ці мікроконтакти з'єднано з електровиводами 5, які запресовані у об’ємі термостатованого корпусу 7 з теплопровідного діелектрика. Розподіл термо.ерс по поверхні, який викликаний падаючим випромінюванням Q та генерується об’ємом термоелемента 4 вимірюється між загальним електровиводом 6 та електровиводами 5. Число необхідних мікроконтактів N, які знаходяться на нижній грані термоелемента, визначається величиною заданої дозволяючої здатності анізотропного термоелектричного приймача по площі A = Da ´ Dc. Проведені дослідження показали, що мінімальне значення цієї величини визначається радіусом r точкового електричного мікроконтакта, яке при виконанні співвідношення rááв вибирається не меншим 6 r ( Da = Dc £ 6r ), причому Aмін = 36r 2 при N = 0,36 a 2 / r 2 . Подальше зменшення цих відстаней при незмінному радіусі мікроконтакту, який у мінімумі дорівнює радіусу електровиводів 5, веде до часткового закорочення термо-е.р.с. анізотропного термоелемента та відповідного падіння чутливості приймача. Загальна мінімальна чисельність контактів, яка відповідає максимальному значенню дозволяючої здатності дорівнює: N = 4 при A макс = ( а ´ с ). Таким чином загальна чисельність N рівномірно розподілених точкових електричних периферійних мікроконтактів анізотропного термоелемента знаходиться в межах 4 £ N £ 0,36 a 2 / r 2 , та визначається необхідною величиною дозволяючої здатності приймача по площі. У дослідному зразку запропонованого приймача анізотропний термоелемент 4 виконувався з монокристалу антимоніду кадмію з наступними параметрами в області кімнатних температур: -1 Da = 280мкВ × К , k22 = 1,5 × 10-2 Вт( см × К ) -1, s = 0,3(Ом × см)-1 у вигляді пластини з а = с = 16 мм, в = 0,5 мм та з'єдн увались з електровиводами за допомогою золотого дроту радіусом r = 30,0 мкм. Його дозволяюча здатність по площі А1 = D а ´ Dс = 0,25мм2 . Загальна кількість мікроконтактів при цьому складала N = 1024. Експериментальне дослідження цього приймача, який працював в режимі зовнішнього оптичного поглинання проводилось як з когерентним так і з неселективним випромінюваннями. Когерентне випромінювання задавалось триколірним лазером ЛГ-126 на довжинах хвиль 0.56, 1.12 та 3.36мкм з енергією густиною 1мВт/мм 2. Неселективне випромінювання задавалось установкою "чорного тіла" АЧТ-1 А, що давало змогу задавати необхідний геометричний розподіл енергії в її поперечному перерізі. Проведений аналіз показує, що у випадку випромінювання з постійним геометричним розподілом енергетичної густини на верхній робочій грані термоелементу, е.р.с. U(q ), які знімаються з відповідних електровиводів, характеризуються однаковим характером залежності цих е.р.с. від густини теплового потоку q U(q) = (a 11 cos 2 j + a 22 sin2 j )q (k 11 cos2 j + (1) + k 22 sin2 j)- 1 Для випромінювань з повільним розподілом енергетичної густини запропонований приймач застосовується із відповідним перетворювачем. Проведені дослідження показують, що інформаційна - аналітична обробка розподілу електричних потенціалів між електровиводами 5 та загальним електровиводом 6 дозволяє отримати однозначну картину розподілу густини променевої енергії на площині верхньої робочої грані термоелементу 4. Застосування аналогових інтегральних суматорів, які під'єднані до комп'ютера дозволяє отримувати як чисельну, так і візуальну інформацію розподіла густини променевої енергії різноманітних об'єктів, які випромінюють. Разом із відповідними оптичними системами такі приймачі дозволяють наприклад створювати апаратуру для пошарового температурного сканування тіла людини, що дає можливість значно підвищити рівень медичної діагностики. Література: 1. Аще улов А.А., Адылшин О.Г., Воронка Н.К., Раренко И.М. Некоторые вопросы использования полупроводниковых соединений А2В5 // В кн.: Материаловедение полупроводниковых соединений группы А2В5. Черновцы: ЧГУ, 1990.-С. 111. 2. А. с. СССР 1141954. Анизотропный термоэлектрический приемник неселективного излучения / А.А. Аще улов, В.И. Ильин, В.М. Кондратенко, И.М. Раренко. Б.И. №18 1985.