Пироэлектрические приемники

Пироэлектрические преобразователи основаны на свойстве некоторых кристаллических диэлектриков (пироэлектриков) электризоваться при нагревании или охлаждении. Пироэлектрики спонтанно поляризованы, но в отличие от сегнетоэлектриков направление их поляризации не может быть изменено внешним электрическим полем. При неизменной температуре спонтанная поляризованность пироэлектрика скомпенсирована свободными зарядами противоположного знака за счет процессов электропроводности и адсорбции заряженных частиц из окружающей атмосферы. При изменении температуры спонтанная поляризованность изменяется, что приводит к освобождению некоторого заряда на поверхности пироэлектрика, благодаря чему в замкнутой цепи возникает электрический ток. Поверхностная плотность возникающих зарядов прямо пропорциональна градиенту температур на гранях пироэлектрика.

Значительным пироэффектом обладают некоторые сегнетоэлектрические кристаллы, к числу которых относятся ниобат бария-стронция, триглицинсульфат (ТГС), ниобат и танталат лития. Также к типичным линейным пироэлектрикам относятся турмалин и сульфат лития.

С практической стороны наибольший интерес представляют кристаллы триглицинсульфата и танталата лития. Наиболее сильным пироэффектом обладает водорастворимый кристалл ТГС, но его применение практически прекратилось из-за малой прочности и низкого значения температуры Кюри (около 49 °С), при превышении которой пироэффект необратимо исчезает. Поэтому основным серийным пироэлектриком для приема теплового излучения стал кристалл LiTaO3.

Отличительной особенностью пироприемников, предназначенных для регистрации теплового и электромагнитного излучений, является низкий коэффициент шумов и широкий спектральный диапазон излучений на частотах 1010-1020 Гц (от сантиметровых волн до g-лучей). Чувствительность пироэлектрического конденсатора высока и достигает 20 В/°К независимо от его площади при постоянной времени 0,1-10 мкс. Порог чувствительности приемников определяют их тепловой и радиационный шумы.

Поскольку пироэлектрик реагирует на перепад температур, его целесообразно применять для контроля в динамическом режиме. В случае необходимости использования его в статическом режиме или при медленных изменениях потока инфракрасного излучения перед пироэлектрическим преобразователем устанавливают прерыватель потока или модулятор; модуляция потока может достигать 106 Гц.

Пироэлектрические приемники являются емкостными элементами, обладающими большим сопротивлением, что создает определенные трудности при согласовании с входным каскадом. К недостаткам пироэлектрических преобразователей также относится их подверженность влиянию вибраций и других внешних воздействий.

Пироэффект используется для создания тепловых датчиков и приемников лучистой энергии, предназначенных, в частности, для регистрации инфракрасного и СВЧ-излучения. Мощность и КПД пироэлектрических преобразователей энергии невелики, поэтому их основные технические применения находятся в области измерительной и преобразовательной техники.

Первые пироприёмники в СССР, на основе керамики титаната бария и ТГС, были разработаны в 1964 году в Институте физики АН УССР. Но основным отечественным разработчиком пироэлектрических приемников был московский НИИ "Полюс".

ПМ-2


(фото Александра Щеткина)

Этот приёмник работает в более ближнем ИК-диапазоне - 1...14 мкм - чем более массовые из этого семейства.

Технические параметры

Пороговый поток в единичной полосе частот при частоте модуляции излучения 20 Гц - не более 1х10-5 Вт/√Гц
Вольтовая чувствительность при частоте модуляции излучения 20+5 Гц - не менее 100 В/Вт
Рекомендуемая частота модуляции - 1...50 Гц

ПМ-4

Одним из самых известных примеров такого приёмника является пироэлектрический модуль ПМ-4. Этот неохлаждаемый приемник инфракрасного излучения нашёл широкое применение в бесконтактных измерителях температуры и пожарных извещателях.

Модули ПМ-4 предназначены для детектирования энергии модулирования инфракрасного излучения в диапазоне длин волн от 2 до 25 мкм. Они могут быть использованы при частотах модуляции излучения от 0,1 Гц.

Заводской паспорт на них.

Условное обозначение пиромодулей в конструкторской документации: "модуль пироэлектрический ПМ-4 ОДО.299.003 ТУ". Производитель их мне неизвестен, однако это либо сам НИИ "Полюс, либо подчиненные ему серийные "специализированные Богородицкий и Сергачский заводы, входившие в научно-промышленное объединение «Полюс»".

Технические параметры

Масса - не более 3гр
Пороговый поток в единичной полосе частот при частоте модуляции излучения 20+5 Гц - не более 1,5х10-9 Вт/√Гц
Вольтовая чувствительность при частоте модуляции излучения 20+5 Гц - не менее 100 В/Вт

Принцип действия датчика основан на многократном изменении интенсивности длинноволнового инфракрасного излучения на пироэлектрической пластине при перемещении объекта перед многогранным вогнутым зеркалом, которое и производит модуляцию излучения за счёт наличия граней. В современной аппаратуре аналогичного назначения функцию многократной модуляции вместо многогранного зеркала выполняет многогранная линза.


(фото с форума "Портативного ретрорадио")

ПМ-5


(фото с форума "Портативного ретрорадио")

По этому приёмнику никакой информации, к сожалению, нет.

Особенностью его является отсутствие германиевой оптики, кристалл датчика открыт и ничем не защищён.


(фото с форума "Портативного ретрорадио")

ПП-01


(фото с форума "Портативного ретрорадио")

И по этому пироприёмнику у меня, увы, никаких сведений...

Известны пироэлектрические приемные устройства с более старшими номерами, от ПП-02 и дальше, предназначенные для регистрации излучения в диапазоне от 4 до 300 мкм. Они состоят из чувствительного элемента, изготовленного из танталата лития (LiTaO3), и согласующего каскада на полевом транзисторе КП202, размещенных в едином корпусе. Насколько это описание подходит для "ноль первого", пока не ясно.


(фото с форума "Портативного ретрорадио")

Источники:

1. М.Л. Бараночников. Приемники и детекторы излучений. Электронная авторская версия. Москва: 2017.

домой