ГЛАВА 7
ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ПРИЕМНИКИ ИЗЛУЧЕНИЯ
История развитая
Стимулом для создания термоэлектрических приемников излучения послужили работы по исследованию инфракрасных лучей, обнаруженных в 1800 г. немецким ученым В. Гершелем. Первый термоэлектрический прибор для выявления невидимых тепловых лучей изготовлен в 1830 г. итальянскими физиками Л. Нобили и М. Меллони. Основными элементами прибора (рис. 7.1), получившего название термомультипликатор, явились видоизмененная термобатарея X. Эрстеда и Ж. Фурье и гальванометр, который специально, разработал для этих целей Нобили. О высокой чувствительности термомультипликатора свидетельствует тот факт, что прибор с термобатареей из 38 элементов висмут — сурьма реагировал на тепло тела человека, находящегося на расстоянии 9—10 м 128, 70].
Термомультипликатор Нобили и Меллони использовался для исследования источников теплового излучения, законов распространения лучистого тепла в различных средах.
Область применения термоэлектрических приемников излучения расширялась по мере их совершенствования. В частности, в 1869 г. в Англии лорд Росс, сын известного изготовителя телескопов В. Парсона, использовал термоэлектрический инфракрасный датчик для астрономических наблюдений [72]. В 1876 г. русский исследователь О. Фрелих разработал пиргелиометр, в котором приемником радиации служила термоэлектрическая батарея. По-видимому, это был первый опыт применения термоэлектрических устройств в актинометрии [38].
Новым шагом в развитии термоэлектрических приемников излучения явился «терморадиометр». Его работа впервые продемонстрирована в 1886 г. на заседании Французского физического общества исследователем Ж. Д’Арсонвалем. Устройство представляло собой апериодический гальванометр, в котором проволочным передвижным контуром служила рамка, составленная из двух металлов. Измеряемое излучение попадало на один из спаев и вызывало в цепи рамки термоэлектрический ток, отклоняющий рамку от положения равновесия. Терморадиометр Д’Арсонваля характеризовался высокой чувствительностью благодаря низкому общему сопротивлению прибора [31].
Рис. 7.1. Термомультипликатор Нобили и Меллони [70]: а — общий вид; б — схема соединения термопар в термобатарею.
В 1888 г. устройство на аналогичном принципе действия сконструировал английский физик-экспериментатор Ч. Бойс. Его «микрорадиометр» при использовании зеркального рефлектора с фокусным расстоянием 40 см регистрировал лучистую энергию в 150 000 раз слабее потока, доходящего от Луны до поверхности Земли во время полнолуния [6, 37].
Усовершенствование микрорадиометра явилось одним из конструктивных направлений развития термоэлектрических приемников излучения, сформировавшихся в конце XIX — начале XX ст. К данному направлению относятся разработки Ф. Пашена (1893 г.), У. Кобленца (1906, 1921 гг.), Г. Шмидта (1909 г.), Г. Рубенса и Г. Холльнагеля (1910 г.), А. Фунда (1912 г.), Г. Геттнера (1918 г.), Г. Витта (1920 г.). Микрорадиометры этих исследователей отличались различным сочетанием металлов для термопар, конфигурацией и размерами термоэлектрических контуров [40]. Широкому распространению термоэлектрических приемников такого типа препятствовали конструктивные трудности изготовления гальванометра с термоэлектрической рамкой.
Более удобным и универсальным оказался метод измерения лучистых потоков, предложенный первоначально Меллони и Нобили, в котором радиационный термоэлемент или термостолбик объединялся в систему со стандартным, отработанным, хорошо зарекомендовавшим себя на практике электроизмерительным прибором. Этот метод лег в основу отдельного направления развития термоэлектрических приемников излучения.
При изготовлении термостолбиков из металлических веществ высокая чувствительность достигалась за счет уменьшения толщины проволок, составляющих пару. Этот способ разработан немецким физиком Г. Рубенсом в 1898 г. (рис. 7.2). Дальнейшее развитие тонкопроволочные термостолбики получили в работах У. Кобленца (1907 1908, 1912—1914, 1922, 1932 гг.), Ф. Пашена (1910 г.), Э. Иогансена (1910 г., 1913 г.), О. Рейнкобера (1911 г.), А. Фунда (1912 г.), Д. Г. Витта (1924 г.), Г. Кефера (1928 г.), (1929 г.), Б. Ланге и В. Геллера (1929 г.), К. Картрайта (1937 г.) [10, 37, 40, 48, 51, 63, 64].
Технологию изготовления проволочных радиационных термоэлементов в этот период разрабатывали также М. А. Лукомская, М. А. Левитская, Ф. Файерстоун, Ч. Брэккет, Э. Мак-Алистер, Дж. Стронг [26, 34]. Сотрудники Ленинградского физико-технического института М. А. Левитская и М. А. Лукомская нашли удачный способ изготовления низкоомного термостолбика из висмута и теллура. Для уменьшения сопротивления теллуристой ветви была придана форма конуса, к вершине которого подносилась нагретая топкая стеклянная трубка с висмутом. В месте соединения металлов образовывалась капелька сплава теллура с висмутом диаметром около 0,2 мм. Чувствительность такого радиационного термоэлемента почти в семь раз превышала чувствительность широко использовавшихся термостолбиков из железа и константана [27].
Повышение чувствительности термоэлектрических приемников излучения являлось одной из главных задач. Особая заслуга в развитии техники измерения лучистой энергии принадлежит Π. Н. Лебедеву (1902 г.), который поместил радиационный элемент в вакуум (рис. 7.3) [25]. Работа Лебедева легла в основу изготовления вакуумных термоэлементов, которые не потеряли свое значение и в настоящее время.
Рис. 7.2. Приемник излучения Рубенса [37]: а — конструкция термобатареи; б — общий вид.
Увеличение чувствительности радиационных термоэлементов шло по пути улучшения теплоотвода с холодных спаев. Принцип использования массивных холодных спаев впервые описан В. Моллем (1908 г.) [40]. Э. Иогансен использовал этот принцип в термоэлементе собственной конструкции, прикрепляя к холодным спаям массивные медные колодки. Дальнейшее развитие этот метод получил при изготовлении термостолбиков из тонких полос металлов. Первый термоэлемент из тонких железных и константановых полос толщиной 2 мкм изготовлен в 1910 г. Ф, Пашеном. Полоски манганина и Константина, спаянные серебром и провальцованные до толщины 1 мкм, использовали в своих работах В. Молль и Г. Бургер (1923, 1925 гг.). Быстродействие термостолбиков Молля и Бургера составило 2—3 с. В течение длительного времени эти устройства, выпускаемые фирмой «Кипп энд Зонен», считались наиболее чувствительными термоэлектрическими приемниками излучения [10, 69].
Развитие технологии изготовления быстродействующих термоэлектрических приборов для измерения излучения привело к созданию тонкопленочных радиационных элементов. Электролитический метод получения термоэлементов такого типа был детально разработан в 1920 г. английскими исследователями В. Вильсоном и Т. Эппс. Этот метод использован в работах Г. Мюллера (1931 г.), X. Керстена (1932 г.) и Р. Шаффорта (1932 г.), А. Гройвса и Дж. Тоумса (1942 г.) [10, 57, 65, 81]. Одним ил первых, иго применил для изготовления радиационных термоэлементов катодное распыление, были З. Клеменсевич и З. Вансович (1931 г.). Метод испарении элементов в вакууме применили в тонкопленочных термоэлектрических детекторах Г. Бургер и П. Ван Ситтер (1930 г.), М. С. Зельцер (1930 г.) 110, 00]. Этот же метод с использованием масочной технологии был положен в основу тонкопленочных термостолбиков Э. Джонсона и Л. Харриса (1934 г.), Л. Роусса и Э. Дакуса (1945 г.) [56, 60, 74].
В 1941 г. английский исследователь Э. Шварц предложил в качестве материала для радиационных термоэлементов использовать полупроводниковый материал, характеризующийся высоким коэффициентом термо-ЭДС, низкими коэффициентами сопротивления и теплопроводности [75].
Чувствительность игольчатой термопары Шварца, ветви которой представляли металлические электроды с полупроводниковыми наконечниками, составляла 60 мкВ · мкВт-1, что почти на порядок превышало чувствительность известных к тому времени радиационных термоэлементов. В 1952 г, английская фирма «Хильгер-Ваттс» приступила к промышленному выпуску термостолбиков такого типа, причем эти устройства, имеющие торговую марку «Хильгер-Шварц», широко применяются и в современных спектрометрах видимого и инфракрасного излучения [1, 47].
Повышение чувствительности термоэлектрических приемников излучения может быть также достигнуто за счет усиления напряжения, полученного на спае термоэлемента, или увеличения отклонения стрелки гальванометра, вызванного термотоками. Первый метод, дающий усиление от десятков тысяч до миллиона раз, применяли, в частности, Г. дю Прел (1923 г.), Э. Вурлих (1931 г.). Этот метод заключается в том, что быстро прерываемый ток от термопары после прохождения через повышающий трансформатор подается на сетку электронной лампы и после усиления и выпрямления измеряется гальванометром.
Метод увеличения отклонения стрелки гальванометра, который использовали Ф. Матосси (1931 г.), Л. Бергман (1932 г.), состоит в перемещении зайчика от зеркальца гальванометра по поверхности фотоэлемента. Уменьшение или увеличение освещаемой поверхности фотоэлемента соответственно влияет на величину фотоэлектрического тока, измеряемого вторым гальванометром. При использовании гальванометра чувствительностью 10-8А сигнал радиационного термоэлемента может усиливаться в 104 раз [10].
В некоторых случаях фотоэлемент замещался дифференциальным термоэлементом (термореле), у которого оба спая близко расположены. Одна из первых конструкций термореле была создана Моллем и Бургером. Термореле для усилителей разрабатывали также Цернике (1927 г.) и К. Картрайт (1931 г.) [40, 49, 68].
В начале 30-х годов в США приступили к разработке так называемых резонансных радиометров, состоящих из двух чувствительных гальванометров с идентичными термоэлементами и маятниками. В этом направлении работали Дж. Гарди, А. Фунд, Ф. Файерстоун [40, 55, 71]. По данным Гарди, чувствительность резонансного радиометра в 90 раз превышает чувствительность термоэлемента Молля. Однако широкое распространение резонансные радиометры не получили вследствие того, что изготовление термоэлементов с идентичными параметрами являлось трудной задачей. Кроме того, успехи в разработке электронных усилителей переменного тока позволили упростить конструкции высокочувствительных термоэлектрических приемников излучения и оказали заметное влияние на развитие техники измерения лучистых потоков в целом [40].
Разработка и совершенствование конструкций термоэлектрических приемников излучения происходили параллельно с развитием теории. В 1910 г. датский физик Э. Иогансен опубликовал работу, в которой была представлена теория приближенного расчета радиационного термоэлемента и его основных параметров [62]. Иогансен ввел понятие чувствительности приемника излучения и доказал, что ее величина зависит от трех факторов: от чувствительности гальванометра, размера и качества спаев, а также от выбора параметров материала проволоки. Формулы Иогансена получены в предположении, что чувствительность гальванометра пропорциональна корню квадратному из его сопротивления и градиент температуры по всей длине проволоки один и тот же, т. е. он не учитывал потери тепла на излучение, конвекцию и теплопроводность. Согласно Иогансену, чувствительность приемника прямо пропорциональна корню квадратному из площади приемной площадки и коэффициенту термо-ЭДС и обратно пропорциональна корню квадратному из произведения излучательной способности материала приемной площадки на абсолютную температуру спая в кубе и корню квадратному из отношения удельной теплопроводности к удельной электропроводности материала термопары. Формулы для сопротивления гальванометра и для радиуса проволок в настоящее время известны как условия Иогансена для рационально сконструированного приемника излучения [10, 19].
До 1926 г. считалось, что исключение возмущений, от которых зависит минимальная обнаружительная способность прибора, является просто вопросом точности экспериментальной техники. Г. Исинг первым отметил, что экспериментальная техника зашла так далеко, что во многих случаях минимальная обнаружительная способность Определяется флуктуациями неизбежного броуновского движения [26].
Вопрос о естественном пределе чувствительности рассмотрен в работах М. Черни (1932 г.), В. Л. Грановского (1933 г.), К. Картрайта (1931, 1934 гг.), Цернике (1933 г.) [10]. Черни вывел формулу для расчета КПД радиационного элемента. Он отмечал, что в системе радиационный термоэлемент — гальванометр чрезвычайно малая часть энергии излучения подвергается преобразованию в процессе измерения [52].
Интересной явилась работа К. Картрайта (1934 г.), содержащая расчеты чувствительности термоэлектрического приемника излучения. В отличие от других исследователей, К. Картрайт производил расчет термоэлемента в сочетании с гальванометром, что имело особенно важное практическое значение [10, 50]. Расчет тонкопленочного радиационного термоэлемента представлен в 1934 г. Л. Гаррисом [59].
В 30-х годах теория Иогансена получила дальнейшее развитие в исследованиях Ф. Файерстоуна, Э. Мак-Алистера, Ч. Брэккета, Дж. Стронга, Г. Фишера [10, 54, 78].
Большое значение для теории расчета приемников излучения имела работа В. Ф. Коваленко (1938 г.) [17]. Воспользовавшись математической теорией термопары, разработанной в 1935 г. А. Тихоновым, и результатами исследований инерции термоэлементов, проведенными П. В. Черпаковым и Г. И. Франкфуртом в 1937 г., Коваленко показал, что основные параметры радиационного термоэлемента, а именно его чувствительность и инерционность, с большой точностью определяются через температуру спая, причем температура спая, время установления которой определяет инерционность, должна считаться функцией времени.
Теория термоэлектрических приемников излучения получила отражение также в работах Дж. Милоша и X. Ван дер Велдена (1943 г.), X. Даунта (1945 г.), М. Голея, Р. Джонса, В. Левиса, Д. Хорнига и В. О’Кифа (1947 г.), П. Феллджета (1949 г.) и др. [53, 61]. Актинометрия явилась одной из первых областей широкого применения термоэлектрических приемников излучения.
Как уже отмечалось, первый актинометрический прибор сконструирован русским исследователем О. Фрелихом, однако его работа не получила большой известности. В 1896 г. термоэлектрический пиргелиометр (рис. 7.4), представляющий собой абсолютный прибор компенсационного типа с термоэлементом из константана и меди, изготовил К. Ангстрем. В 1905 г. Международная метрологическая организация рекомендовала повсеместное использование пиргелиометра Ангстрема как эталона при измерении солнечной радиации [6, 29, 43].
Первый термоэлектрический балансометр был создан в 1910 г. Г. Каллендером. В 1914—1915 гг. У. Кобленц на сконструированном им актинометре произвел измерения светлых и темных пятен на поверхности Юпитера, двух спутников Юпитера, колец Сатурна и одной из планетарных туманностей [37].
Особо интенсивное развитие термоэлектрическая актинометрия получила в 20—30 годы, причем разработанные в этот период конструкции многочисленных и разнообразных актинометрических приборов не потеряли своего значения и в настоящее время. Большая заслуга в этом принадлежит советским исследователям С. С. Савинову, Ю. Д. Япитевскому, Η. Н. Калитину и др., работы которых выдвинули Советский Союз в число ведущих стран в области актино- метрического приборостроения [14, 35, 43].
Рис. 7.4. Пиргелиометр Ангстрема [6]:
а — схема; б — общий вид; 1,2 — приемная манганиновая пластинка; 3 — эбонитовая рамка; 4,3 — спай дифференциальной термопары; 6,7 — клемма цепи дифференциальной термопары; 8 — эбонитовый корпус; 9 — общая силовая клемма; 10 — переключатель; 11—13—ламели переключателя 10; 14 — трубчатый кожух; 15 — щиток; 16, 17 — прицельное устройство прибора; 18 — крючок затвора щитка; 19 — штатив; 20, 21—установочный механизм; 22 — гальванометр; 23 — амперметр; 24 — балластное сопротивление; 25, 26 — выключатель; 27 — батарея; 28 — регулировочный реостат.
Использование радиационных, термоэлементов в инфракрасных спектрометрах впервые осуществлено в конце XIX в. Г. Рубенсом. К концу 20-х годов инфракрасная спектрометрия стала широко применяться. В призменных спектрометрах для измерений, в коротковолновой части спектра инфракрасного излучения использовались термоэлементы Хильгера и Молля (в спектрометрах фирм «Эллис» и «Молль»). Спектрометры с термостолбиками Молля выпускала также фирма «Кипп энд Зонен». Эти приборы являлись приборами с автоматической регистрацией. Дифракционный спектрометр с решеткой, очень удобный для изучения длинноволновой части спектра, разработан в 1927 г. американским исследователем Р. Беджером. Спектрометр по схеме Фунда сконструировал М. Черни, усовершенствованная конструкция появилась двумя годами позже. Этот спектрометр с микрорадиометром был предназначен для области 40— 100 мкм. Ряд конструкций спектрометров с автоматической регистрацией разработай А. Фундом (1927 г.), Ч. Брэккетом и Э. Мак Алистером (1930 г.), М. Черни, А. Турнером, В. Плеттигом (1930 г.)(, Дж. Гарди (1931 г.), X. Рэндаллом и Дж. Стронгом (1932 г.), Дж. Барнсом и Т. Боулингом (1932 г.) [40, 80]. Следует упомянуть о спектрометрах Р. Барнеса (1934 г.), X. Рэндалла и Ф. Файерстоуна (1938 г.), К. Фьюзона, X. Рэндалла и Д. Деннисона (1939 г.) [67]. В 30-е годы термоэлектрические вакуумные термостолбики получили такое широкое распространение, что, по свидетельству Дж. Стронга, «они применяются в инфракрасной спектроскопии чаще, чем все радиометрические приборы других типов, вместе взятые» [34, с. 225].
Как известно, излучение может служить мерой температуры тел. Возможность использования радиационных термоэлементов для дистанционных измерений температуры была продемонстрирована в исследованиях О. Луммера и Э. Прингсгейма (1899, 1901 гг.), Э. Бенедикта (1915 г.), К. Шефера (1916 г.). За рубежом конструкции пирометров с термостолбиками разрабатывали Дж. Кюри (1931 г.), Дж. Гарди (1934—1937 гг.), Р. Сордал (1936 г.), П. Дайк (1938 г.), Дж. Стронг (1939 г.). Наибольшее распространение получили радиационные пирометры Т. Гаррисона, выпускаемые с начала 40-х годов фирмой «Браун инструмент» (США). Эти радиационные пирометры отличались высоким быстродействием и стабильностью показаний [5].
В нашей стране в начале 30-х годов освоено производство термоэлектрических пирометров [13]. Для исследования лучистого теплообмена в топочном производстве в 1936 г. разработан радиационный пирометр на основе гипертермопары медь-константан. Чувствительность устройства составляла 32 мВ на 100 °С, быстродействие — 15 с, точность — 0,1 С° [13].
Патентная литература 1910—1920 гг. содержит предложения по, созданию ИК-приборов обнаружения кораблей, самолетов и людей, а также систем секретной связи, активных систем обнаружения, устройств для наведения авиаторпед и дистанционного измерения температуры [36].
Во время первой мировой войны исследования в области военного применения ИК-техники привели к разработке и испытанию в полевых условиях нескольких экспериментальных образцов систем связи. Поисковые системы, разработанные в этот период, могли обнаружить самолеты на расстоянии до 1,5 км, а живую силу противника — 300 м [36].
В первых тепловизорах использовались термоэлементы и болометры. Эти приемники с высокой обнаружительной способностью, неселективностью, что очень важно в использовании тепловизионных устройств, не требовали охлаждения и имели простую конструкцию. Но их применение в современных тепловизорах ограничено большой постоянной времени 10—100 мс [33].
Термоэлектрический приемник излучения для обнаружения айсбергов разработан в 1914 г. американским исследователем Р. Паркером. В 1915 году Л. Беллингхэм создал термоэлектрическое устройство для обнаружения айсбергов, пароходов и других горячих и холодных объектов. В статье С. Хоффмана («Физикал Ревью», 1919 г.) «Обнаружение невидимых объектов по тепловому излучению» указывалось на возможность обнаружения самолета на расстоянии 1600 м.
В патенте США за 1949 г. описывается тепловой детектор для обнаружения кораблей, устанавливаемый на подводных лодках, у которого приемником радиации служит термостолбик (Э. Мартин, Дж. Скотт). В 1941 г. в Англии также проводились опыты по обнаружению кораблей термоэлектрическим методом [36].
В военных целях невидимые тепловые лучи применялись, в частности, для разведки — перед окопом вблизи своих проволочных заграждений располагали весьма чувствительные термоэлементы медь- никелин, висмут-сурьма (1936 г.) [4].
Впервые телепеленгация с использованием термоэлектрических датчиков была применена в первой мировой войне 1914—1918 гг. Немецкие наблюдательные установки в Остенде позволяли обнаружить британские миноносцы на расстоянии до 10 км в ночных условиях. Пеленгация кораблей облегчалась тем, что на полном ходу их трубы раскалялись докрасна [23].
