Влияние отрицательной электротепловой обратной связи на характеристики высокотемпературных сверхпроводниковых болометров

• Автор: Иванов, Константин Васильевич
• Шифр специальности: 05.11.07
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2004
• Место защиты: Санкт-Петербург
• Количество страниц: 149 с. : ил.

1. Высокотемпературные сверхпроводниковые болометры
1.1 Современные конструктивные решения
1.2 Теория высокотемпературного сверхпроводникового болометра с учетом электротепловой обратной связи
1.3 Выводы
2. Расчетное моделирование работы высокотемпературного сверхпроводникового болометра с учетом электротепловой обратной связи
2.1 Модель болометра. Определение исходных параметров
2.2 Результаты расчетного моделирования
2.3 Выводы
3. Расчетное моделирование работы высокотемпературного сверхпроводникового болометра в режиме активной отрицательной электротепловой обратной связи
3.1 Введение болометра в режим активной отрицательной электротепловой обратной связи
3.2 Результаты расчетного моделирования
3.3 Выводы
4. Экспериментальные исследования
4.1 Конструкция исследуемого болометра. Схемы измерительных установок
4.5 Экспериментальные исследования влияния электротепловой обратной связи на работу высокотемпературных сверхпроводниковых болометров
4.6 Выводы
5. Определение эффективности использования отрицательной электротепловой обратной связи в приборах регистрации электромагнитного излучения
5.1 Широкополосные модули фотоприемных устройств на основе высокотемпературных сверхпроводниковых микроболометров
5.2 Абсолютный радиометр с электрическим замещением для рентгеновского диапазона
Заключение
Приложения
Список литературы

В современных оптико-электронных приборах для регистрации инфракрасного (ИК) излучения широко используются болометры. К основным преимуществам болометров относят высокую чувствительность и низкий уровень шума (существует возможность создавать приемники с пороговым уровнем шума близким к теоретическому пределу), неселективность в широком спектральном диапазоне, невысокую стоимость материалов, возможность интегрированных решений на основе кремниевой технологии.
Потребность в высокочувствительных, неселективных приемниках излучения стимулировала разработки криогенных полупроводниковых и сверхпроводниковых болометров, обладающих высокими значениями температурного коэффициента сопротивления (а=Я.'1ЛЯ/йТ). После открытия высокотемпературной сверхпроводимости (ВТСП) в 1986 г. активное развитие получили высокочувствительные ИК болометры на основе ВТСП пленок. Температура сверхпроводникового перехода ВТСП материалов позволяет использовать для охлаждения приемников на их основе, жидкий азот или компактные микрохолодильные системы охлаждения, что существенно удешевляет эксплуатацию таких болометров по сравнению с криогенными болометрами, охлаждаемыми жидким гелием.
В настоящее время сверхпроводниковые болометрические приемники практически не имеют конкурентов по обнаружительной способности в диапазоне 20 мкм - 1 мм. Кроме этого, ввиду неселективности теплового механизма преобразования, приемники на основе сверхпроводниковых болометров могут использоваться и в других диапазонах длин волн - от радиоволн до рентгена. Ярким примером может служить микрокалориметр с электрическим замещением для рентгеновского диапазона излучения.
Обладающие высокой пороговой чувствительностью сверхпроводниковые болометры нередко имеют большую постоянную времени, что ограничивает возможности их применения. До настоящего времени увеличение быстродействия болометров обеспечивалось за счет конструктивных решений. Однако такой путь, как

правило, ставил перед выбором между высокой чувствительностью и высоким быстродействием. В последние десятилетия для увеличения быстродействия сверхпроводниковых болометров предлагаются схемы включения, использующие отрицательную электротепловую обратную связь (ЭОС).
Исследование и обоснование эффективного использования отрицательной ЭОС для ВТСП болометров позволяющее обеспечить высокое быстродействие без ухудшения обнаружительной способности является актуальной задачей современной оптико-электроники. Решению этой задачи посвящена настоящая диссертация.
В диссертации последовательно рассмотрена теория ВТСП болометров с учетом ЭОС, предложена расчетная модель ВТСП болометра в условиях отрицательной ЭОС, представлены результаты расчетного и экспериментального моделирования, проведен анализ полученных результатов. По результатам моделирования предложены условия оптимального выбора конструкции и параметров включения болометра, даны рекомендации по повышению эффективности использования отрицательной ЭОС для ВТСП болометров с целью повышения быстродействия и обеспечения высокой чувствительности. Кроме этого в работе рассмотрена возможность улучшения характеристик широкополосных модулей фотоприемных устройств и радиометра на основе ВТСП при использовании преимуществ отрицательной ЭОС.
Этапы диссертационной работы:
1. Расчетное моделирование работы ВТСП болометра в режимах с положительной и отрицательной электротеюговой обратной связью.
2. Изучение механизма действия активной отрицательной электротепловой обратной связи на работу ВТСП болометра.
3. Разработка расчетной модели и моделирование работы ВТСП болометра в режиме активной отрицательной электротепловой обратной связи.
4. Разработка методики измерений и аппаратуры для проведения экспериментальных исследований работы ВТСП болометра в режиме активной отрицательной электротепловой обратной связи.
5. Экспериментальные исследования работы ВТСП болометра в режиме активной отрицательной электротепловой обратной связи.

На рисунке 2.11 представлены зависимости т для РПН при (Д=0,24 В и РПТ при /*-=40 мкА. Рост постоянной времени в РПН объясняется нагревом болометра под действием мощности падающего оптического излучения, что ведет к снижению а и уменьшению влияния ЭОС. Для режима РПТ при увеличении мощности падающего излучения т уменьшается. Как и в режиме РПН это происходит из-за увеличения температуры болометра под действием поглощенной мощности и уменьшения влияния ЭОС.
Р^мкВт
Рис. 2.11. Зависимость эффективной постоянной времени х от поглощенной мощности излучения Рор, в режимах РПТ и РПН
В режиме РПТ т не может быть меньше собственной 1(3=0,05 с. Наблюдаемое на рисунке 2.11 значение т в РПТ меньше 0,05 с, объясняется переходом болометра в нелинейный режим при значениях поглощенной мощности более 14 мкВт (рис. 2.12), В этом случае поведение болометра имеет не экспоненциальную временную зависимость и не может быть корректно описано аппроксимирующей функции предложенной для расчета т. На практике интерес представляет состояние болометра, в котором наблюдается линейный отклик на мощность падающего оптического излучения.