Стартовая >> Книги >> Учеба >> Очерки развития термоэлектричества

Современное состояние в области термоэлектрических приемников излучения - Очерки развития термоэлектричества

Оглавление
Очерки развития термоэлектричества
Открытие основных термоэлектрических эффектов
Основные направления термоэлектричества
Связь термоэлектричества с другими научно-техническими направлениями
Феноменологическая теория
Гальванотермомагнитные эффекты
Современное состояние теории термоэлектрических явлений
Микроскопическая теория термоэлектрических явлений
История развития термоэлектрического материаловедения
Современное состояние термоэлектрического материаловедения
История термоэлектрической энергетики
Современное состояние термоэлектрической энергетики
Солнечные термогенераторы
Радиоизотопные термогенераторы
Термогенераторы с другими источниками тепла
История развития термоэлектрического охлаждения
Современное состояние термоэлектрического охлаждения
История развития термоэлектрической термометрии
Области применения термопар
Технические возможности термопар
Влияние внешних магнитных полей
Термоэлектрическая нестабильность термопар
Низкотемпературные термопары
Среднетемпературные измерения
Инерционность термопар, микротермопары
Тонкопленочные термопары
История развития термоэлектрических приемников излучения
Современное состояние в области термоэлектрических приемников излучения
История развития электроизмерительных преобразователей
Современное состояние в области термоэлектрических приемников излучения
История развития термоэлектрической микрокалориметрии
Современное состояние микрокалориметрии
Термоэлектрическая теплометрия
Термоэлектромеханические преобразователи
Другие термоэлектрические приборы
Список сокращенных названий институтов, литературы

Термоэлектрические приемники излучения не потеряли своей актуальности, несмотря на то, что за последние пятьдесят лет появилось достаточно большое число других типов приборов для измерений лучистых потоков, превосходящих термоэлектрические детекторы по ряду параметров, например, по чувствительности и быстродействию.
Современные термоэлектрические приемники излучения классифицируют по таким основным признакам: используемый тип термоэлемента (термопарный, анизотропный, вихревой, короткозамкнутый, слоистый); материал термоэлемента (металл, полуметалл, полупроводник); конструкция термоэлемента (проволочная, ленточная, штыревая, пленочная, спиральная и т. п.); количество термоэлементов (одиночный, дифференциальный, батарейный, матричный). Кроме того,  приемники излучения отличаются по количеству, конструкции и материалу коллекторов, по взаимодействию с окружающей средой, по областям применения.
При расчете термоэлектрический приемник излучения рассматривают как устройство, имеющее приемную площадку и термопару с термостатируемыми холодными спаями; свойства приемника описываются соотношениями между его выходными и входными характеристиками. К наиболее важным параметрам термоэлектрических приемников излучения, которые определяют качество устройства, относятся интегральная чувствительность, обнаружительная способность и постоянная времени [1, 41].
Вольт-ваттная чувствительность Sv равна отношению электрического напряжения на выходе U к мощности излучения на входе W;

Постоянная времени τ является параметром, характеризующим тепловую реакцию приемника на изменение мощности потока излучения. Для простейших моделей приемников постоянная времени определяется как отношение теплоемкости С термоэлемента к его теплопроводности κ0, причем и теплоемкость, и теплопроводность являются сложными функциями частоты:

Обнаружительная способность D* представляет собой величину, обратную эквивалентной мощности шумов (порогу чувствительности) Р0, нормированную по площади приемниках и полосе пропускания, в которой измеряются шумы:

Для одноэлементного термопарного приемника эта величина определяется выражением:

Здесь ε0 — коэффициент поглощения приемной площадки, k0 — постоянная Больцмана, σ — постоянная Стефана—Больцмана, Т — абсолютная температура, Ζ0 — термоэлектрическая добротность термоэлемента. Обнаружительная способность идеального теплового приемника при 300 К составляет D0 = 1,8·1010см·Гц1/2 • Вт-1. Эта величина определяет предельные возможности приемников излучения. В настоящее время термоэлектрические приемники по обнаружительной способности в 1,5—2 раза превосходят другие типы тепловых приемников излучения. В качестве датчика термоэлектрического приемника излучения используются металлические, полуметаллические и полупроводниковые термопары. Теория их расчета приведена в ряде обзорных работ и монографий советских а зарубежных авторов, в частности Б. П. Козырева, Б. В. Васильева, В. II. Гулькова, Μ. Н. Маркова, X. Кортума, Р. Смита, Ф. Джонса и Р. Чесмера, Ж. Шоля, И. Марфана, М. Мюнша и др. [1].
Максимальной чувствительностью обладают радиационные термоэлементы и термостолбики, выполненные из полупроводниковых материалов. Например, в разработке вакуумных приемников с ветвями из полупроводникового сплава на основе теллурида висмута, осуществленной японским исследователем Э. Андо (1974 г.), была достигнута пороговая чувствительность 5 < 10—11 Вт {44].
Полупроводниковым термобатареям свойствен ряд недостатков, таких как недостаточно высокая механическая прочность, влияние- на результаты измерения температурной зависимости параметров полупроводникового вещества и др. Поэтому, несмотря на низкую- (порядка 0,1—0,4 В · Вт-1) чувствительность, широко применяются металлические термоэлектрические датчики, обычно выполняемые в многоэлементном (батарейном) варианте. Примером могут служить разнообразные тепловые приемники с проволочными и ленточными термобатареями, созданные в Ленинградском электротехническом институте им. В. И. Ульянова (Ленина). Они предназначались для работы в качестве пиранометров, балансомеров для метеорологической сети, спутниковых пиргелиометров, приемников лазерного излучения, измерителей рентгеновской и гамма-радиации [20].
Ряд унифицированных проволочных термобатарей, используемых для измерения излучений и тепловых потоков, разработан в Институте технической теплофизики АН УССР под руководством О. А. Геращенко. Эти батареи изготовлены осаждением меди или никеля на половину константановой или хромелевой спирали. Плотность упаковки, достигаемая при этом, составляет 2000 термопар на 1 см2. Чувствительность серийного датчика размерами 17 X 17 X 1 мм 0,07 В · Вт [1, 6].

Риc. 7.5. Конструкция пленочного Bi — Sb-приемника [1]:
1,2 — ветви термопар; 3 — рабочий спай; 4 — коммутационная висмутовая пленка; 5 — контактная площадка.
Термоэлектрические датчики с проволочными термобатареями разрабатываются также во ВНИИМ им. Д. И. Менделеева. Здесь под руководством В. Е. Карташевской созданы термобатареи висмут-сурьма, висмут-олово, хромель-копель, которые используются для определения светового эквивалента лучистой мощности и других световых измерений [16].

Среди термоэлектрических приемников излучения особое место занимают датчики с пленочными термобатареями.
Помимо достаточно высокой чувствительности, до 280 В · Вт-1, обусловленной использованием для этих целей полупроводниковых сплавов, тонкопленочные датчики характеризуются большим быстродействием (10—100 мкс). Из зарубежных разработок наибольшую известность приобрели тонкопленочные приемники исследовательского центра «Санта Барбара». На их основе созданы радиометры, установленные на космических кораблях «Маринер» в 1969 г. [45, 77]. В космических кораблях используются также тонкопленочные радиационные термоэлементы, выпускаемые американской фирмой «Барнс энжиниринг» и французской фирмой РТС, Пленочные термобатареи для радиометрии и дистанционной термометрии созданы фирмой «Хориба» [32, 46, 58, 79].
В нашей стране широко применяются термоэлектрические тонкопленочные приемники (рис. 7.5), разрабатываемые во ВНИИТ, Институте космических исследований АН СССР, Черновицком университете и ряде других организаций. В разработках принимали участие З. М. Дашевский, Н. В. Коломоец, Б. М. Гольцман, В. И. Кайданов, Ю. В. Тимофеев, А. В. Кондратов, А. Ф. Чудновский, Е. А. Малыгин, Μ. П. Козорезов, А. П. Иванюк, А. С. Охотин, О. И. Купчинский, П. А. Богомолов, В. В. Разиньков, Н. К. Цыпко и др. [1, 3, 7, 11, 39, 42]. Параметры воздушных пленочных термоэлектрических приемников излучения представлены в табл. 7.1 [11, 39, 42, 79]. Следует отметить, что устройства, разработанные на кафедре термоэлектричества Черновицкого университета, при заданной величине приемной площадки превосходят по вольт-ваттной чувствительности и быстродействию пленочные приемники излучения, выпускаемые за рубежом.
Таблица 7.1. Параметры воздушных пленочных термоэлектрических приемников

Примечание. ИКИ — Институт космических исследований АН СССР, ЧГУ — Черновицкий государственный университет, ВНИИТ — см. с. 233.

Кроме того, в Черновицком университете созданы пленочные термоэлектрические приемники излучения с большой приемной площадкой (до 10 мм2), которые при достаточно низкой постоянной времени характеризуются высокими значениями чувствительности и обнаружительной способности [39].
Приемники в виде миниатюрной многоспайной пленочной термобатареи находят применение в различных системах для предупреждения экзогенных пожаров, поиска и обнаружения эндогенных очагов загорания, в частности, в шахтах. Современные планарные приемники используются для измерения потоков нейтральных частиц в диапазоне энергий от 300 эВ до 3 кэВ; в интегральных датчиках излучения, предназначенных для контроля радиации от ТОКОМАКОВ; в юстировочных устройствах для экспериментов по термоядерному синтезу [18,76]. Выпускаются радиационные пирометры с пленочными термобатареями, быстродействие которых составляет 1—2 с. Интересный способ повышения быстродействия пленочных термобатарей предложен Б. М. Гольцманом, С. Ф. Синенко, В. И. Смысловым и др. (1979 г.). Они показали, что при пропускании через термоэлектрический приемник тока можно достичь равенства поглощения тепла Пельтье на горячих спаях падающему потоку. В этом случае сигнал на выходе приемника равен нулю, и измеряемый поток определяется значением проходящего в термоэлектрической цепи тока [7, 8].
В спектрометрии и актинометрии и в настоящее время широко используются термоэлектрические датчики, разработанные и внедренные в производство в 30—40-х годах. Во многих обсерваториях мира среди актипометрического оборудования часто встречаются компенсационные пиргелиометры Ангстрема, актинометры Савинова, Янишевского и др. [73].
Из современных разработок актинометров следует упомянуть термоэлектрический приемник излучения, в тело которого вмонтирован электрический нагреватель, позволяющий проводить градуировку абсолютным методом. Этот прибор разработан в Институте технической теплофизики АН УССР, его чувствительность составляет 30 мВ· Вт-1, инерционность 20 с [15].
Для точных спектральных измерений предназначен ряд радиационных компенсированных вакуумных термоэлементов типа ТК-3X 1,5, ТК-1 X 1,5 и ТКБ-3 X 1,5, разработанных О. И. Купчинским и П. А. Богомоловым [24].
Неселективность термоэлектрических приемников излучения нашла отражение в многочисленных вариантах радиационных пирометров. Широко известны радиационные пирометры марок «Рейтьюб» (фирма «Лид энд ЛНИ», США), «АРДОНОКС» и «АРДОМЕТР» («Сименс», ФРГ), «ИМФРАРИП» (ВТИ, ГДР) 11]. В нашей стране освоен серийный выпуск пирометрических комплексов АПИР, ΤΕΡΑ, ПИРС с интервалом измеряемых температур 20—2500 °С, разработанных в ПО «Термоприбор». В ЛЭТИ созданы пирометры типа ИКТЭРЛ, отличающиеся высокой чувствительностью и быстродействием. Для дистанционных измерений температуры электрических контактов и кабелей предназначен термоэлектрический прибор БИТ-8, созданный в Институте технической теплофизики АН УССР [1, 9].Термоэлектрические приемники излучения начинают играть важную роль в метрологии. Для аттестации тепловых и других типов приемников лучистой энергии в диапазоне от 0,25 до 30 мкм служат полостные приемники излучения ПП-1 и ПП-3. По метрологическим и техническим характеристикам они являются лучшими из аналогичных приемников излучения [1].
Первые термоэлектрические приемники лазерного излучения появились в начале 60-х годов в СССР, Франции и США. Из разработок этого периода следует упомянуть калориметрические устройства В. С. Зуева и П. Г. Крюкова, Д. Симмса и П. Хинкли, Дж. Эккермана, Ф. Дове, Ж. Макьерона, А. Ноухема и X. Тэче [1].
Детальный расчет термоэлектрических приемников лазерного излучения калориметрического типа проведен в середине 60-х годов группой советских исследователей Харьковского университета под руководством Р. А. Валитова [21. Ряд фундаментальных работ по теории термоэлектрических приемников лазерного излучения выполнен в начале 70-х годов в ЛЭТИ под руководством Б. П. Козырева [21, 22].
Важные результаты по созданию многоэлементных термоэлектрических преобразователей средств измерения пространственно-энергетических характеристик лазерного излучения получены в 80-е годы Л. А. Иоффе, Н. Д. Подильчуком и др. Особенностью разработанных ими преобразователей является применение полупроводниковых материалов с высокой термоэлектрической добротностью, что позволяет увеличить коэффициент преобразования в 20—100 раз расширить динамический диапазон в сторону малых значений энергии, использовать конструктивные и технологические решения, упрощающие процессы изготовления многоэлементных датчиков, повысить их пространственное разрешение [12].

Заметное увеличение обнаружительной способности относительно достигнутого уровня для современных термоэлектрических приемников в ближайшее время не реально. Расчеты показывают, что даже при трехкратном возрастании добротности термоэлектрического материала, используемого в современных приемниках, их обнаружительная способность может возрасти не более чем на несколько процентов.
Резкое возрастание быстродействия и вольт-ваттной чувствительности термоэлектрических приемников связано, в первую очередь, с применением для их производства современной технологии, используемой в микроэлектронике. Например, применение прецизионной фотолитографии, сверхтонких органических подложек и современной технологии напылительных процессов позволят в ближайшее время решить задачу получения пленочного термоэлектрического приемника излучения на основе теллурида висмута с вольт-ваттной чувствительностью более 103 В · Вт-1 и постоянной времени порядка 10 мс.
Успехи в создании термоэлектрических материалов с заранее заданными свойствами, в том числе получение материалов с независящими от температуры параметрами [1], позволяют рассчитывать на значительное повышение метрологических параметров термоэлектрических приемников излучения.
Одним из путей конструктивного развития термоэлектрических приемников излучения является использование в качестве термоэлектрического датчика анизотропных, вихревых и короткозамкнутых элементов. Перспективна также разработка тепловых приемников на основе термомагнитного эффекта Нернста — Эттингсгаузена 11, 30].
Для расширения области применения термоэлектрических приемников излучения большое значение имеет работа по созданию унифицированных нормализованных рядов радиационных термодатчиков.
В развитии лазерной калориметрии наиболее перспективное направление представляет разработка многоэлементных (мозаичных) приемников излучения. Этот конструктивный подход дает возможность использовать в термоэлектрическом датчике пленочные металлические термопары, обеспечивающие достаточно высокие значения чувствительности и быстродействия при максимальной надежности и большом ресурсе работы [1, 2, 7].



 
« Оперативное управление в энергосистемах   Проектирование силового электрооборудования »
электрические сети