Приёмники излучения

Приёмники излучения, устройства для преобразования сигналов электромагнитного излучения (в диапазоне от рентгеновских лучей с длиной волны l = 10^-9 см до радиоволн с l = 10^-1 см, о приёмниках электромагнитного излучения с меньшей длиной волны см. в ст. Детекторы ядерных излучений) в сигналы др. физической природы с целью их обнаружения и использования (изучения) информации, которую они несут. П. и. часто являются одними из основных узлов автоматических приборов и систем управления. Они играют важную роль в научных исследованиях, например в спектроскопии, квантовой электронике и астрономии. Преобразование сигналов в П. и. осуществляется в процессе взаимодействия поля электромагнитного излучения с тем или иным веществом; поле изменяет энергетические состояния электронов, атомов или молекул вещества, и эти изменения регистрируются.

Существуют различные типы П. и., в которых используются вещества в разных агрегатных состояниях. Так, например, излучение может ионизовать газ, вызывая в нём электрический разряд; в этом случае регистрируется импульс тока или напряжения, а П. и. называется счётчиком фотонов. Возможна регистрация увеличения объёма газа, нагреваемого поглощённым излучением; таков принцип действия оптико-акустических (пневматических) П. и., которые могут работать во всей указанной области спектра, но чаще применяются в далёкой инфракрасной (ИК) области в диапазоне длин волн 50-1000 мкм. Самую обширную группу составляют П. и. из чувствительного к излучению твёрдого вещества. К ним относятся болометры, у которых при поглощении излучения меняется сопротивление электрическому току; термоэлементы, реакция которых на нагрев излучением состоит в появлении термо-эдс; пироэлектрические П. и., изготовляемые из кристаллов сегнетоэлектриков - при взаимодействии с излучением на их поверхности появляется статический электрический заряд. Все эти П. и. относятся к тепловым П. и., т.к. в механизме преобразования энергии в них основную роль играет нагрев вещества излучением. Они применяются во всей рассматриваемой области спектра.

В фотоэлектрических П. и. излучение непосредственно воздействует на электроны вещества (главным образом в явлениях внешнего и внутреннего фотоэффекта). Фотоэлементы и фотоэлектронные умножители (внешний фотоэффект, или фотоэлектронная эмиссия)используются в основном при l <1-2 мкм, в то время как фотосопротивления (см. Фоторезистор), фотодиоды и др. П. и. с внутренним фотоэффектом чувствительны к излучению вплоть до субмиллиметрового радиодиапазона. При более коротких l из рассматриваемой области спектра фотоэлектронные умножители и полупроводниковые лавинные фотодиоды могут работать в режиме счётчиков фотонов (существуют также счётчики фотонов, в которых используется эффект ионизации жидкости или твёрдого тела излучением). В далёком ИК и субмиллиметровом диапазонах применяют П. и., в которых фотоны не изменяют концентрацию электронов проводимости в твёрдом теле, а либо изменяют их подвижность (см. Подвижность ионов и электронов), либо оказывают давление на электроны путём передачи им импульса (эффект увлечения электронов фотонами, подробнее см. Приёмники света). Фотоэлектрические П. и. для диапазона 5-1000 мкм требуют охлаждения до 4-77 К, причём их рабочая температура должна быть тем ниже, чем больше длина волны регистрируемого излучения. При низких рабочих температурах для приёма излучения используется также явление сверхпроводимости и связанные с ним эффекты (П. и., основанные на Джозефсона эффекте, сверхпроводящие болометрические П. и. и др.).

Наряду с одноэлементными П. и. существуют многоэлементные П. и. с отдельными приёмными элементами, дискретно или непрерывно распределёнными по поверхности. Они служат для получения двумерного изображения излучающего объекта. Классическим примером таких П. и. являются фотопластинки и фотоплёнки. К ним относятся также электроннооптические преобразователи (работают при l £ 1,2 мкм), телевизионные передающие трубки, люминесцентные преобразователи (с т. н. тепловым гашением для всей рассматриваемой области спектра и "вспышечные" для излучения с l ~ 2 мкм), многоплощадочные полупроводниковые болометры и фотосопротивления (из сернистого свинца - до l ~ 3,5 мкм, из сурьмянистого индия - до l ~ 5,5 мкм), эвапорографы, в которых испаряется нагреваемая излучением плёнка масла, и пр.
Важный параметр любого П. и. - отношение полезного сигнала к уровню помех; в процессе преобразования П. и. не должен существенно ухудшать эту величину. Способность П. и. регистрировать сигналы минимальной длительности характеризуется его постоянной времени. Для практических целей важны такие характеристики П. и., как коэффициент преобразования и пороговая чувствительность - величина минимального сигнала, обнаруживаемого П. и. Чувствительность лучших счётчиков и фотоумножителей такова, что позволяет регистрировать отдельные фотоны падающего излучения. П. и. ИК диапазона менее чувствительны. Величина D*, обратная пороговой чувствительности П. и., отнесённой к единице полосы рабочих частот и к единице площади приёмной поверхности, для тепловых П. и. достигает 10⁹, для фотоэлектрических - 10¹² (для l ~ 3 мкм) и 10¹⁰-10¹¹ (для l ~ 1000 мкм), постоянная времени электроннооптических преобразователей - до 10^-12 сек, специальных фотоэлементов - до 10^-9 сек, фотоэлектрических П. и. с внутренним фотоэффектом - 10^-7 сек, в некоторых случаях (например, у примесных фотосопротивлений) - до 10^-10 сек, тепловых П. и. - до 10^-9 сек, но чаще (при высоких D*)10^-2-10^-3 сек.
? М. Н. Марков.