Rys. 1.44. Współczynnik transmisji atmosfery z ditlenkiem węgla jako jedynym gazem tłumiącym promieniowanie podczerwone, patm = 1000 hPa, Tatm = 0°C [1.33]
1.6. Systemy termowizyjne
Z punktu widzenia zasady działania detektorów promieniowania podczerwonego, systemy termowizyjne dzielimy na bolometryczne i fotonowe [1.33]. Jak wspomniano wcześniej, w kamerach bolometrycznych energia promieniowania podczerwonego jest zamieniana na ciepło, a detektory fotonowe (kwantowe) działają na zasadzie oddziaływania fotonów z elektronami, w wyniku czego zmienia się koncentracja nośników elektrycznych i przewodność elektryczna półprzewodnika (fotorezystor). Innym rozwiązaniem jest praca detektora w trybie fotoogniwa, w którym generowane jest napięcie zależne od natężenia padającego promieniowania. Systemy bolometryczne nie wymagają chłodzenia, co najwyżej stabilizuje się podłoże sensora na poziomie temperatury o wartości ok. 25°C. Kamery fotonowe wymagają chłodzenia matrycy detektorów do temperatury ok. –40÷–77 K. Osiągnięcie tak niskiej wartości temperatury jest możliwe w chłodziarkach Stirlinga, pracujących w obiegu zamkniętym [1.33]. Znane są konstrukcje kwantowych detektorów wysokotemperaturowych z wielostopniowymi chłodziarkami Peltiera i temperaturze detektora na poziomie kilkudziesięciu stopni poniżej 0°C [1.23, 1.24]. Produkowane są także obecnie detektory fotonowe MCT działające w temperaturze pokojowej, o zadawalającej wykrywalności 108÷1010 cm · Hz0,5/W [1.17, 1.23, 1.24]. Chłodzenie detektorów fotonowych wynika z termicznej generacji nośników elektrycznych w półprzewodnikach o wąskiej przerwie energetycznej [1.23, 1.24, 1.33]. Sensory fotonowe absorbują promieniowanie w wąskim przedziale widma, co wynika z kwantowego charakteru zjawisk, jakie zachodzą przy pochłanianiu fotonów. Fotony, których energia jest większa od pasma zabronionego, są pochłaniane i zmieniają właściwości elektryczne półprzewodnika. Charakterystyka widmowa absorpcji detektora fotonowego gwałtownie się załamuje dla pewnej granicznej długości fali λg zależnej od szerokości przerwy energetycznej Eg półprzewodnika (rys. 1.45):
gdzie: h = 6,626 · 10–34 J · s jest stałą Plancka, a c ≈ 3 · 108 m/s prędkością światła w próżni.
Rys. 1.45. Czułość detektorów fotonowych i bolometrycznych
Bolometry mogę teoretycznie absorbować promieniowanie w całym zakresie widma. W praktyce i one działają jako sensory o ograniczonym paśmie absorpcji, ze względu na widmowy charakter okien transmisyjnych i soczewek w torze optycznym kamery. Bolometry umożliwiają pomiar temperatury zarówno powyżej, jak i poniżej wartości temperatury otoczenia (temperatury detektora). W przypadku, gdy temperatura obiektu jest wyższa niż temperatura detektora, ma miejsce przepływ energii radiacyjnej w kierunku detektora i jego ogrzewanie. Gdy temperatura obiektu ma wartość niższą niż temperatura detektora, detektor jest chłodzony.
Ważnym parametrem detektorów jest wykrywalność znormalizowana D*, zwana też progiem czułości [1.24, 1.33]. Wielkość tę należy interpretować jako czułość detektora odniesioną do wartości skutecznej szumu, dla jednostkowej powierzchni detektora i jednostkowego pasma szumu:
Można wykazać teoretycznie, że wykrywalność detektorów fotonowych jest zależna od długości fali i jest ograniczona krzywymi, które mają minimum dla długości fali ok. λ ≈ 15 μm [1.24, 1.33].
Rys. 1.46. Wykrywalność detektorów radiacyjnych [1.33]
Detekcja promieniowania w detektorach i kamerach fotonowych polega na oddziaływaniu kwantowym fotonów z atomami i elektronami w półprzewodnikach. Oddziaływanie to polega na pochłanianiu fotonów i przekazywaniu energii elektronom. Ze względu na długość fali i niewielką szerokość pasma zabronionego (0,1÷0,4 eV), w półprzewodnikach wąskopasmowych występuje, prócz optycznej, silna generacja termiczna nośników – rys. 1.47. Powoduje to, że detektory fotonowe są zazwyczaj chłodzone, często do temperatury ciekłego azotu (77 K), a czasem poniżej. Znane są wysokotemperaturowe sensory fotonowe promieniowania podczerwonego, pracujące w temperaturze 200÷300 K [1.20, 1.23, 1.24].
Rys. 1.47. Mechanizm optycznej generacji nośników w półprzewodniku o wąskiej przerwie energetycznej [1.33]
Detektory MCT
Obecnie, dla zakresu MWIR i LWIR, stosowane są najczęściej dwa półprzewodniki o wąskiej przerwie energetycznej: antymonek indu (InSb – MWIR) i telurek kadmowo-rtęciowy (Hg1–xCdxTe, MCT, ang. Mercury Cadium Telluride – SWIR/MWIR/LWIR). InSb jest związkiem chemicznym, natomiast MCT to związek złożony (mieszanina, stop, ang. alloy) z CdTe i HgTe w proporcji x. Detektory kamer termowizyjnych wykonanych z InSb i MCT są chłodzone, najczęściej do temperatury ciekłego azotu (77 K). Nowe osiągnięcia technologiczne pozwoliły zwiększyć temperaturę pracy, głównie detektorów MCT, nawet do wartości 300 K [1.17, 1.20, 1.24]. Zaletą detektorów MCT jest możliwość zmiany widmowej charakterystyki absorpcji przez zmianę składu CdTe i HgTe (x = 0,1÷0,4). Od składu zależy szerokość pasma zabronionego, która bezpośrednio wpływa na pasmo absorpcji detektora – tab. 1.10.
Tabela 1.10. Przerwa energetyczna i długości fali odcięcia dla InSb i Hg1–xCdxTe
Przerwa energetyczna Eg półprzewodnika zależy także od wartości temperatury. W półprzewodniku InSb wpływ temperatury na przerwę energetyczną jest do pominięcia [1.24]. Dla detektorów MCT, wraz ze wzrostem długości fali (zmniejszaniem się szerokości pasma zabronionego), rośnie wpływ temperatury na widmo absorpcji.
Na podstawie badań eksperymentalnych opracowano model zmian długości fali odcięcia charakterystyki absorpcji λg dla odpowiedniego składu Hg1–xCdxTe i wartości temperatury (rys. 1.48) [1.17, 1.24] – wielkość wyrażona w mikrometrach:
Z równania (1.54) można wyznaczyć temperaturową wrażliwość długości fali odcięcia charakterystyki widmowej dλg/dT (wyrażoną w μm/K), która zależy od składu materiałowego (x) (rys. 1.48):
Rys. 1.48. Zależność λg od temperatury i składu materiałowego x
Zależność szerokości przerwy od wartości temperatury dla x ≤ 0,2 jest znacząca, co ogranicza zastosowanie tego półprzewodnika w kamerach LWIR i VLWIR, dla długości fali powyżej λg > 25 μm. W praktyce termowizyjnej oznacza to, że chłodziarka kamer LWIR z detektorem MCT musi pracować stabilnie (bardziej stabilnie w porównaniu z InSb) i z dużą dokładnością kontrolować wartość temperatury detektora. Przykładowo, wzrost wartości temperatury o 10 K, powoduje degradację detektora nie tylko z powodu wzrostu