Физические основы работы приемника на термоупругом эффекте

Размещено на http://www.allbest.ru/

Физические основы работы приемника на термоупругом эффекте

Введение

Приемник оптического излучения на основе кристаллического кварца (ПТЭК) разработан в Санкт-Петербургском институте точной механики и оптики на кафедре оптико-электронных приборов и систем. Кристаллический кварц не является пироэлектриком, и причина возникновения при облучении его нестационарным потоком излучения заключается в термоупругом эффекте. В качестве приемного элемента в ПТЭК используют кристаллический кварц - материале, характеризующемся хорошей стабильностью физических свойств в широком динамическом диапазоне. В 1965 году Г.Г. Ишаниным разработана теория, методы расчета и проектирования, технология и конструктивные решения приемников на основе термоупругого эффекта в кристаллическом кварце. Приемники на термоупругом эффекте были в 1970 году внедрены в мелкосерийное производство. На основе этих приемников были разработаны и внедрены в производство многочисленные измерители параметров лазерного излучения

Принцип действия

На рис. 1 изображен чувствительный элемент. К теплоотводящему демпферу 4 приклеена тонкая пластинка кристаллического кварца 3. Токопроводящее покрытие 2 и покрытие 1, поглощающее излучение в широком спектральном интервале, наносят на переднюю поверхность кварцевой пластинки. Если приемную площадку 1 облучить нестационарным потоком излучения, то система, ранее находившаяся в механическом и тепловом равновесии, изменит свое состояние. Образующееся при облучении сложное нестационарное поле в приемном элементе вызовет в кристаллическом кварце нестационарные механические напряжения, которые приведут к появлению разности потенциалов на токопроводящем покрытии 2 и теплоотводящем демпфере 4.

Рисунок 1 - Устройство ПТЭК

оптический излучатель кристаллический кварц

Время релаксации электрона в материалах, используемых для поглощения падающего потока излучения, составляет с и, следовательно, не ухудшает частотные свойства ПТЭК. Постоянная времени кристаллического кварца, как электромеханического преобразователя составляет с. Наиболее инерционен процесс распространения тепловой энергии от поглощающего покрытия через электрод до кварцевой пластинки с последующим отводом ее в теплоотводящий демпфер. Эти процессы и определяют постоянные времени приемника и . Емкостная характеристика приемника на основе термоупругого эффекта в кристаллическом кварце полностью исключает возможность работы с постоянными потоками излучения, что также влияет и на частотную характеристику приемника.

Максимальные электрические заряды возникают при механическом воздействии на концах полярной оси, поэтому необходимо вырезать пластинку для приемника на термоупругом эффекте согласно рис. 2а так, чтобы пара плоскостей была перпендикулярная к полярной оси, а ребро d - параллельно полярной оси X. Эта пластинка с так называемым X - срезом (рис. 2б). Ребро b параллельно оптической оси Z, l параллельно Y. Ось Y называется механической осью.

Рисунок 2 - а) ориентация термоупругого элемента относительно осей кварца, б) термоупругий элемент приемника, X, Y, Z- оси кристалла кварца.

Пластинка, показанная на рис. 2б, обладает следующими эффектами: при сжатии в направлении X на обеих нормальных к ней поверхностях bl возникают соответственно положительный и отрицательный электрические заряды (прямой продольный пьезоэфект); это эффект и вносит основной вклад в появлении разности потенциалов в приемнике; при растяжении в первом случае и сжатии во втором заряды на поверхности bl меняют свои знаки на обратные; сжатие и растяжение по оси Z не вызывают пьезоэлектрического эффекта.

Чувствительность ПТЭК при гармоническом воздействии потока излучения

Выражение для электрической разности потенциалов нагруженного ПТЭК с учетом параметров входной цепи будет [2]:

Где - коэффициент термоупругого преобразования, - амплитудное значение потока излучения [Вт], - толщина пластинки из кристаллического кварца [см], - коэффициент амплитудных и фазовых искажений, - круговая частота модуляции потока излучения (,- частота модуляции), - емкость ПТЭК с учетом входной емкости, сопротивление входной цепи.

Выражение для вольтовой чувствительности нагруженного ПТЭК примет вид:

Расчет электрической разности потенциалов и вольтовой чувствительности однородных идеальных ПТЭК в режиме холостого хода при импульсном воздействии потока излучения

В первом приближении, при импульсном потоке воздействия, ПТЭК можно рассматривать полупространством, на поверхности которого происходит «тепловой удар», за достаточно малое время действия импульса (рис 3а), так как толщину электродов 1, 3 и слоя клеящего вещества 4 можно сделать достаточно малыми, пластинку 2 - достаточно толстой, а демпфер изготовить из кристаллического кварца. Если в этом случае фотоприемная пластинка ПТЭК облучалась равномерно в течение действия импульса, а начальная температура окружающей среды и ПТЭК была равна одинакова во всех точках полупространства, можно считать одномерным.

Рисунок 3 - К пояснению работы однородного ПТЭК при импульсом воздействии излучения : а) - ПТЭК как полупространство, 1 - приемный электрод, 2 - кварц кристаллический, 3 - второй электрод, 4 - слой клеящего вещества, 5 - демпфер из кристаллического кварца; б) характер температурного поля в ПТЭК.

Для одномерного теплового поля связь между нестационарной составляющей теплового поля и термоупругий потенциалом перемещений F получим:

где и - коэффициент линейного расширения и Пуассона, - координата, - термоупругий потенциал перемещений, - нестационарное одномерное тепловое поле полупространства, - время.

Для термоупругом напряжений в импульсном режиме можно записать:

Где G = = 8,605· дин/ - модуль упругости кристаллического кварца по оси X.

Выражение для одномерного поля поляризации кварца в этом случае:

Электрическая разность потенциалов на ПТЭК в импульсном режиме при условии G = определится:

где - одномерное поле поляризации, = 8,605· дин/ - модуль упругости кристаллического кварца по оси X, - коэффициент линейного расширения, - пьезомодуль кварца, - коэффициент Пуассона, - координата, - время, - термоупругий потенциал перемещений, - нестационарное одномерное тепловое поле полупространства, - диэлектрическая проницаемость кристаллического кварца

Пределы интегрирования берутся от 0 до ?, так как в этом случае ПТЭК считается однородным полупространством. Если домножить и разделить полученное равенство на , то получим следующее выражение:

(1)

где - удельная теплоемкость кристаллического кварца; - плотность кристаллического кварца.

Выражение

характеризует удельную тепловую энергию, входящую в ПТЭК за время действия импульса. Эта входящая в ПТЭК энергия равна энергии поглощенной части падающего на ПТЭК импульса излучения, если пренебречь реизлучением приемной площадки за время действия импульса , т.е.

где - коэффициент поглощения.

C учетом выражения (1) уравнение для расчета электрической разности потенциалов, возникающей на идеальном однородном ПТЭК в режиме холостого хода, будет:

(2)

где коэффициент термоупругого преобразования в импульсном режиме.

Выражение (2) связывает амплитудное значение электрической разности потенциалов, возникающей на идеальном однородном ПТЭК в режиме холостого хода, с облученностью E (Вт/) при заданной длительности импульса или с поверхностной плотностью энергии излучения (Дж/). Это амплитудное значение электрической разности потенциалов на ПТЭК будет поддерживаться до тех пор, пока температурное поле не выйдет за пределы элемента ПТЭК в демпфер, что и определяет время интегрирования ПТЭК.

При воздействии на идеальный однородный ПТЭК прямоугольного импульса с амплитудой и длительностью электрическая разность потенциалов, возникающая на нем в режиме холостого хода, определится по формулам:

Вольт-джоулевая чувствительность идеального однородного ПТЭК в режиме холостого хода при воздействии прямоугольного импульса:

Полученное выражение вольт-джоулевой чувствительности справедливо для ПТЭК как полупространства. В реальных условиях ПТЭК имеет конечную толщину чувствительного элемента, которая влияет на его параметры.

Собственная емкость ПТЭК () с входной емкостью (или емкостью монтажа) образуют емкостной делитель напряжения. В этом случае напряжение на нагрузке при воздействии импульса на ПТЭК и возникновении на нем электрической разности потенциалов ) определится из следующего соотношения:

Или с учетом выражений, учитывающих постоянную времени схемной релаксации входной цепи имеем:

Для

Для

Так как собственная емкость ПТЭК (как плоского конденсатора) будет:

и она зависит от толщины пластинки ПТЭК, то от толщины зависит напряжение на нагрузке и вольт-джоулевая чувствительность ПТЭК :

Для

Для

Если учесть влияние распределения температурного поля по толщине пластинки ПТЭК на электрическую разность потенциалов и вольтовую чувствительность, то при условии

Для

Откуда легко можно получить

и .

Список использованной литературы:

1.Ишанин Г.Г., Панков Э.Д., Челибанов В.П. Приемники оптического излучения - СПБ: Папирус. 2003 г-527 стр.

2.Ишанин Г.Г. «Приёмники оптического излучения на основе термоупругого эффекта в кристаллическом кварце». Диссертация на соискание учёной степени доктора технических наук. Ленинград, 1988 год, 512с.

Размещено на Allbest.ru