Динамика колебательных систем с температурно-чувствительными реактивными элементами тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.03 ВАК РФ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ ПО НАРОДНОМУ ОБРАЗОВАНИЮ

МОСКОВСКИЙ ОРДЕНА ЛЕНИНА, ОРДЕНА ОКТЯШЯКО'Л РЕВОЛЮЦИИ И ОРДЕНА ТРУД®ОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ ГОСУДАРСТВЕННА УНИВЕРСИТЕТ ИМЕНИ М.В.ЛОМОНОСОВА

ФИЗИЧЕСКИЙ ФАКУЛЬТЕТ

На правах рукописи

КРАСКК ТАТЫНА ГНГГАЛЬЕВНЛ

УДК 537.227;621.317.78

ДИНАМИКА КОДЕ ВАТ РЛЫШ СИСТЕМ С ТЕМПЕРАТУГНО-ЧУВСТВИТЕЛЪШШ РЕАКТИВНЫМИ ЭЛЕМЕНТАМИ

Специальность 01.04.03 (радиофизика)

Автореферат диссертации на соискапме ученой стопани кандидата физико-математических наук

Москва - 1992

Робота выполнена на кафедре физики колебаний физического факультета МГУ им. М.В.Ломоносова

Нп.учянй руководитель: кандидат физико-математических наук,

доцент Г.В.ВДЮКОПЫГОВ Официальные оппоненты: доктор физико-математических паук,

ведущий научный сотрудник В.К.НОВИК доктор фнзкко-математических паук, профессор Ю.М.ПОПЛАВКО Ведущая организация: Санкт-Петербургский электротехнический институт.

Защита состоится "¿'^ " <М.&л 1992 г. в чаоов в ауд. на заседании Специализированного Ученого Совета К 053.05.92 отделения радиофизики физического факультета Московского Государственного университета им. М.В.Ломоносова адрео: 119899, г. Москва, Ленинские Горы, МГУ, физический факультет).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке физически факультета МГУ.

Автореферт разослан "/£" " 1992 г.

Ученый секретарь Специализированного Совета К 053.05.92 отделения радиофизики физического факультета МГУ кандидат физико-математических лаук

И.В.ЛЕБЕДЕВА

' ";ОНЦАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАГОШ

>

Актуальность темы. Проблема чувствительного приема слабого валового излучения представляет интерес для физики и техники нфракрасного диапазона. Перспективными материалами для примене-ия в тепловых приемниках излучения (ТПИ) являются виртуальные егнотоэлектрики, обладающие при криогенных температурах рядом войств, особенно благоприятных для применения этих материалов качестве термочувствительных элементов колебательных систем ¡Ш двух типов - болометров и пнроприемников. Потенциальными реимуществами виртуальных сегнетоэлегсгриков по сравнению с обственными сегнотоэлоктрикаки являются отсутствие шумов перс-оляриэации, стабильность диэлектрических и пироэлектрических войств; по сравнению с полупроводниковыми и сверхпроводящими это риалами виртуальные сегнетоэлектрики устойчивы к тепловым ирегрузкам и нечувствительны г магнитным полям. Однако до посляд-)Го времени возможности такого применения и в более общем плане -1намика взаимодействия электрических и тепловых процессов в гвствительных элементах ТШ не были исследованы. В связи с этим эедставляется весьма актуальным совместное исследование электричках и тепловых процессов в указанных системах и определение >рспвктяв их применения в качестве чувствительных элементов ТПИ.

Целью диссертационной работы явилооь теоретическое исследо-1нив индуцированного электрическим полем смещения пироэлектри-»ского эффекта в виртуальных сегнетоэлектриках, анализ харзкте-ютик ТПИ двух типов - пироприемнкков и болометров, на основе [ртуальных согнетоэлектриков, а также экспериментальная реалития индуцированного шроэффекта в танталате калия. В соотвггст-[и с указанной целью в работе решались следующие задачи!" Нахождение эффективного пироэлектрического коэффициента виртуальных сегнетоэлектриков к оценка их коэффициентов качества

как материалов для пироприемников; вычисление чувствительном и щумов пироприемников на основе виртуальных сегнетоэлектрико;

2) Анализ колебательной системы, термочувствительный реактивный элемент которой (виртуальный сегнэтоэлектрик) является чувств: тельным элементом ТПИ. Оценка чувствительности и шумов емкостного болометра на оонове виртуального согнетоэлектрика.

3) Экспериментальное наблюдение и измерение пироэлектрического отклика, индуцированного электрическим полем смещения, в кристаллах тангалата калия при гелиевой температуре.

Научная новизна работы отражена в положениях, выносимых №

защиту:

1) В виртуальных сегнетоэлектриках можно индуцировать пироэлектрический аффект с помощью постоянного электричеокого поля смещен] Раочет и измерение эффективного пирокоэффицивнта виртуальных оегнетоэлектриков показали, что эти материалы являются перспективными для использования их в качестве чувствительных элементов криогенных пироэлектрических приемников излучения.

2) Впервые наблюдался индуцированный пироэффект в танталате калия с использованием новой радиофизической методики, когда нагрев чувствительного элемента - диэлектрического резонатора, осущес лялся СВЧ-излучением на резонансной частоте.

3) Выявлена роль и специфика тепловой обратной связи в колебательных системах с реактивным элементом из нелинейного диэлектрика

.которая проявляется через инерционную расстройку колебательное контура. 7отановлены условия достижения максимальной чувствительности теплового приемника излучения с учетом явлений . нелинейного резонанса и тепловой обратной связи.

4) Получены удобные упрощенные уравнения для собственных чаотот цилиндрического резонатора, заключенного между проводящими плоскостями для случая диэлектрика с высокой проницаемостью.

Практическая значимость работы. Результаты, полученные в да исследования динамики электрических и тепловых процессов 1лебательных систем с виртуальными сегнетоэлектриками, могут 1ть использованы для создания новых ТПИ, чувствительным элементом иорых является виртуальный сегнетоэлектрик (титанат стронция или 1нталат калия). Порог чувствительности пироприемников на виртуаль-IX евгнетоэлектркках может быть на два порядка ниже, чем у неохляж-1бмых пироприемников. Чувствительность резонансного теплового зиемника излучения управляется изменением коэффициента автостаби-[зации температуры. Предложенная экспериментальная методика являет-г перспективной для наблюдения пироэффекта з сегнетокатериалзх малым уровнем диэлектрических потерь. Созданная экспериментальная лановка может служить для дальнейших экспериментальных исследова-1й ТПИ на основе виртуальных согнетоэлектриков.

Апробация работы и публикации. Результат!) роботы докладывались з научных семинарах кафедры колебаний физического факультета Г.ГУ, з Ш я 1У Всесоюзных конференциях "Актуальные проблемы получения применения сегнето- и пьезоэлектрических материалов" (Москва, 387 и 1991 г.г.), на 1У Всесоюзном семинаре по тепловым приемникам злучения (Мооква, 1988 г.).

Основные результаты проведенных исследований опубликованы шести работах, а также входят в две работы, находящиеся jl печати, писок публикаций приведен е конце автореферата.

Структура и объем диссертационной работы. Диссертация состоит з введения, трех глав, заключения и приложений, изложенных на 58 страницах машинописного текста, из них 27 страниц рисунков, страниц таблиц, 19 страниц приложений (из них S страниц - рисун-ов), 9 отраниц списка литературы, включающего в себя III наимено-аний.

ООДЕР/ШМЕ ДИССЕРТАЦИИ

13о внедриии обосновала актуальность теми, сформулирована цель диссертационной работы, дин краткий обзор ее содержания и сформулированы основные положения, выносимые на защиту.

Первая 1'лпвп содержит литературный обзор по следующим нрос! мим. 3 § 1.1 приведен обзор основных характеристик ТИП. ДеПотяи приемника и его математическое описание можно рассматривать в д этапа: нагревание детекторного элемента и измерение нагревания о помощью различных теплофизических э^фок-юп. Порог чувствительности ТПИ, т.е. мощность потока излучения, создающего в приемки сигнал, равный по величине среднеквадратичному значению юума, ограничен тремя видами шумов: радиационными, температурными и джонсоиовоклми. В ТЛИ двух типов, болометрах и пироэлектрически: приемниках, в качестве чувствительных элементов часто использую1 кристаллы сегнэтоэлектриюв. Основные физические свойства виртуальных сегнетсалектриков рассмотрены в § 1.2. Для всех оегнето-електрических кристаллов характерны обратимая спонтанная поляризация, температурная зависимость диэлектрической проницаемости и пироэлектрический эффект, т.е. завиоимость спонтанной поляризации от температуры. Согнетоэлектрики обладают спонтанной под ризацией ниже температуры Кюри, при которой наблюдается фазовый переход. Вещества, которые облвдаю? характерными чертами оегнвп электриков, но вплоть до абсолютного нуля температур оотаютоя в неполярной фазе, называют виртуальными сегнетоэлектрикаыи. Типичными виртувльными оегнетоэлектриками являются титанат стро! гщя ) и танталат калия ( КТаО^ ). Эти материалы

при низких температурах имеют высокое значение диэлектрической проницаомооти £ (2,5 ЧО4 для ^гТЮ^, „ 5 «ю3 для КТаС^ и выоокую диэлектрическую нелинейность, а также малые диэлектрические потери (на низких часготах ~ Ю-^ для ] -Ю"4 для КТаОг ). Кроме того, тнтаиат стронция и тантал!

лия при гелиевых температуртх обладают малой теплоемкостью 5 '102 Дк/гА), слабо зависящей от электрического ноля ещения, малым коэффициентом теплопроводности и электротлорнчое-м эффектом, линейно зависящим от поля смещения, соли его нлпряжен-сть превышает некоторую величину. Линейность электрокнлорического факта характерна для пирсэлектриков.

Вопросу о взаимосвязи электрических к тепловых расстроек л лебательннх системах о виртуальными согнетоэлектрикамн ппснчщен 1.3. Разогрев сегнетоэлектрических элементов топлпм лпэлектри-ских потерь влияет на их линейны» и нелинейные х^рактер/стакн, том числе на собственный частоты, в то га время р^сспилиемпц плопая мощность резонансным обозом зависит от настройки колебя-льной системы. Благодаря взаимной связи электрических и темоных оцессов оказывается возможным такой выбор параметров системы, и котором тепловая расстройка резонансной частоты нелинейного емента приводит к автоматическому регулированию тепла, пыдпляо-1'о в его объеме, и к аятостабилизацки его темпер,чтуры (?Ффект Т). При некоторых условиях з колебательных системах с оегнзтэ-ектриками возможны также режим автомодуляции вынужденных олектри-ских колебаний в сосредоточенных системах и пвтололновне процес-в распределенных системах.

В § 1.4 приведены результаты анализа собственных колебаний линдричоских диэлектрических резонаторов. Особенностью диэлектри-ских резонаторов (ДР) является наличие электромагнитного поля в объема резонатора, учет которого принципиально необходим и расчете резонансных частот. В исследованиях л радиофизических сложениях оегнетоэлектриков на СВ'1 широко нримоннются ДР цилинд-ческой форш. Спектр собственных резонансных колебаний цплиндр»-ских ДР состоит из азимутально-однороднкх (симметричных) и имутально-неодяородных видов колебаний, отличввщихся характером определения электромагнитного поля. При условии азимутальной

симметрии поля колебаний однородного и изотропного цилиндрического ДР разделяются на Н- и Б- виды. При вариациях поля по азимуту колебания называют гибридными; они имеют вое шесть составляющих поля. Подставляя выражени- для компонент полей в соответствующие граничные условия, можно получить характеристическое уравнение для нахождения собственных частот. Подобные расчеты проведены в третьей главе диссертации.

Вторая глава посвящена теоретическому анализу пироприемнпка и болометра на виртуальном сегнетоалектрике. В первой чаоти главы (§ 2.1) рассмотрен пироэлектрический приемник излучения о чувствительным элементом из виртуального сегнетоалектрика. Теория индуцированного электрическим полем пироэффекта в виртуальных сегнето-электриках рассмотрена в § 2.1.1. Эффективный пироэлектрический .^коэффициент ^ найден из соотноиений феноменологической теория сегнетоэлектричества, где свободная энергия раскладывается в ряд по огепеням поляризации Т?: , При опти-

мальном значении напряженности поля смещения с&а (0,6 КВ/см для 5гТ; и 5 КВ/сы дая ) пирокоэф

фициент р - I «£.1 {¿Щ ; где ^ [ £

максимален (значения - в таблице). Его величина на порядок ниже, чем у других оегнетоэлектричеоких материалов (комнатной температуры), однако эти значения превышают шрокоэффициент низкртемператур ных пироэлектриков. Определены коэффициенты качества виртуальных оегнвтоалектриков как чувствительных элементов пироэлектрических приемников нздучения.

Таблица

Р х 10^ ! % х 1012 (Кл/м^к) ! (Кл-м/Дд) Кз X 108 (Кл.м/Дж) Кз х ю8 (Клы/Дк)

2,3 | 4 5 I

1 3,7 | 30 7 | 15

Благодаря высокой диэлектрической проницаемости, малым диалектическим потерям и малой теплоемкости титаната стронция и таиталата алия при гелиевых температурах, коэффициенты качества этих мат^риа-ов превышает лучшие значения для известных пироэлектриков.

В § 2.1.2 проведен расчет чувствительности и шумов пироприемни-ов на виртуальных сегнетоэлектриках. Рассмотрани предельные случаи высоких" и "низких" частот модуляции принимаемого излучения. Значено вольтовой чувствительности для низких частот (^м^1^ = (СКм)'), не Як - сопротивление нагрузки,,0 — емкость чувствительного элэ-5нта) определяется величиной сопротивления нагрузки и но зависит г чаототы модуляции излучения. Для К.« = 10 НОм это значение составит 4,7 '103 В/Вт для ^Т.Ог, и 7,4 'Ю3 для . На ви-жих частотах (сх^ЪЪо^ ) наблюдается обратно-пропорциональная шисимооть чувствительности от частоты модуляции. Выражение для юнсоновского шума в области низких частот ( * ) иске не зависит от чаототы модуляции и определяется величиной (противления нагрузки ~ 1СГ22 Вт?'/Гц для Зг-ТгО», и "Ю-23 Вт2/Гц для ), а в области высоких частот ЧО^'Л. ) зависимость Кпропорциональна ¡стоте 60к . Поскольку диэлектрические потери малы ( I) >нятия высоких и низких частот для этих двух зависимостей сущест-нно различны. Поэтому существует целая область частот ("'|<-<-Чл<-и'г.)» ;е вольтовая чувствительность приемника Г^ Уже не оптимальна, нако шумы еще остаются на уровне, близком к минимальному.

Вторая часть главы 2 посвящена сегнетоэлектрическому емкостио-болометру. Описание работы болометра приведено в § 2.2.1. Дейст-е болометра основано на изменении ого сопротивления (в данном учав - емкостного) при изменении температуры, что приводит к моду-ции напряжения в электрической цепи. Емкостной болометр в простей-м случав представляет собой колебательный контур с термочувстви-льным конденсатором, в который включен источник гармонического

напряжения Ц ccs ^"t . Колебания в такой сиотеме удовлетворяют уравнениям: ст ¿^лик^

i + f lVqг-Л Н" " u 10 ^'

где Те - температура чувствительного элемента, Т0 - окружающей среды, uVT«}- собственная частота колебаний контура, Q - его добротность, - температурный коэффициент диэлектрической проницаемости. Проведены оценки чувствительности и шумов простейшего емкостного болометра. Для ^ I06 Гц и Ц = 0,01 В rv~ Ю6 В/Вт для ХсТ;Ог в ^ю7 в/Вт для КТа.ог , а < Д IO"34 Вт2/Гц для SfTiO-j н Ю"36 Вт2/Гц для kTaDj Эти оценки показывают, что порог чувствительности болометра на виртуальном сегнетоэлектрике определяется температурным* шумами ( ~ 1СГ29 Вт2/Гц для коэффициента теплоотдачи G-~ICT® Вт/К).

В § 2.2.2 обсуждается влияние нестабильности генератора накачки на пороговые характеристики сегнетоэлектркческих болометров. Показано, что нестабильностью генератора можно пренебречь, когда ширина опектральной линии b<-<V ие превышает "температурных" отклонений ь^А~2 'Ю-8 (для Sr^O* и КТа.Оч ) собственной частоты.

В § 2.2.3 раооыотрено влияние резонанса на характеристики ТПИ, чувствительным элементом которого является конденсатор иг виртуального свгявтоэлектрнка, включенный в колебательный контур; при этом в цепи приемника имеются иоточник постоянного напряжения, индуцирующий пхроэффвкт, и иоточник переменного напряжения, обесп< чивающий работу болометра. Получены выражения для окорооти изменения постоянной ( ) и переменной ( ) составляющих заряда при изменении температуры чувствительного элемента. Установлена зависимость »тих величин от коэффициента ACT ST = :

дте v ' it sc <rrt sv .

где Rr - тепловое сопротивление кристалла, К - коэффициент;

S. = A/|v , А - площадь, l\ - высота приемного элемента.

1олученные выражения позволяют проанализировать влияние резонаноа I тепловой обратной овязи на характеристики приемника. Явление сопловой обратной связи и его влияние на динамические характеристики приемника рассмотрены в § 2.2.4. При наличии переменной составляющей на обкладках сегнетоэлектрического конденоатора он нагре-. зается как мощностью падающего излучения, так и мощностью диэлектрических потерь. В свою очередь, нагрев приводит к раостройке колебательного контура и изменению мощности диэлектрических ютерь. Таким образом, в сегнетоэлектричеоком болометра дейотвие шкачки ведет к обратной овязи для изменений температуры (как и з сиотемах ACT). Показано, что для низких частот модуляции [ £«WtrSr I) тепловая обратная связь не оказывает существенно влияния на величину вольтовой чувствительности приемника, [отя в условиях тепловой регенерации мы могли бы получить увеличено чувствительности в 2Г раз, этого не происходит, поокольку больное время тепловой релакоации t,- и уоловие З^^Хтруднооовывстшш да низких частот . При высоких частотах модуляции излучения [ ¿Ч^тЗт-ъъ I) в уоловиях автостабилизации температуры I)

южно получить значительный выигрыш в чувствительности. Вопроо ipeобразования энергия в сегнетоэлектричеоком ТШ1 рассматривается з § 2.2.5. Показано, что на низких частотах при величии стабилизации температуры в сегнетовлектричеоком ТПИ происходит полное преоб-зазование поглощаемой мощности в тепло диэлектрических потерь. Па зысоких частотах модуляции свгнетовлектрическяй приемник излучения «ожвт одужить усилителем мощности в уоловиях автоотабвлизацни ого :емпературы. В этом оостоиг отличие сегнетоэлектржчвоких приемни-сов от других видов ТШ.

В § 2.2.6 проведено сравнение характеристик пироприемников [ болометров о одинаковыми оегнотоэлектричеогашн датчиками. При равных значениях fv аыцлитуда сигнала накачки в конденоатора

емкостного болометра в б?/2 раз ниже, чеы напряжение смещения в пироприемнике, в то жо время спектральная плотность электричео-ких флуктуаций раз ниже, чем в пироприемнике. В связи

о этим отмечается целесообразность перехода к СВЧ-яакачке. Благоприятным обстоятельством для такого.перехода является то, что сами сегнетоэлектрические кристаллы - датчики температуры становятся диэлектрическими резонаторам, если их размеры порядка длины волны СВЧ в диэлектрике.

Третья глава посвящена экспериментальному наблвдению пироэф-фвкта, индуцированного электрическим полем смещения, в кристаллах танталата калия. В § 3.1 описана методика эксперимента и экспериментальная установка. Основная идея эксперимента состоит в нагреве ДР из танталата калия модулированным по амплитуде СВЧ-излучением и регистрации низкочастотных колебаний заряда, наводимых на электродах ДР, к которым приложено постоянное внешнее смещение. При совпадении частоты СВЧ-излучения с одной из собственных частот образца-резонатора происходит резонансное возбуждение колебаний и поглощение СВЧ-мощности. Нагрев приводит к изменению индуцированной поляризации, которое вызывает пироэлектрический ток на частою модуляции СВЧ-оигнала. К достоинствам экспериментальной методики следует отнеоти достаточно сростов согласование детекторного элемента с трактом нагревающего его излучения и возможность определения коэффициента поглощения образца. Наблюдение и измерение пироэффекта в ДР из КТаОь при 4,2 К описано в § 3.2. В эксперименте использовались цилиндрические образцы о электродами на торцевых гранях. При наблюдении низкочаототного отклика от образца измерялись зависимости выходного сигнала от поля смещения. Для напряжения смещения обеих полярностей как при нарастании, так н ери убывании смещения при последовательных измерениях эти зависимости в пределах экспериментальной погрешности симметричны и не обнаруживают гиотерезиса. Измерялись также зависимости амплиту-

сы выходного сигнала от чаототи модуляции излучения ж от величиям 'одулирующего сигнала. Условия эксперимента: 40СН-700 МГц,

1,2 г Ю КГц, Т?г ~ 3 МВт, <£С(И = 0 7 100 В.Еыло установлено: I) частота выходного низкочастотного оигнала равна частоте моду-¡яцжи; (2) при уменьшении модулирующего сигнала отклик уменьшался [ жсчвзал в отсутствжж модуляции; (3) отклик на,блюдался только I пржоутствжж поля смещения, увеличиваясь о ростом напряжения ¡мещенжя; (4) прж увелжченжж частоты модуляцжж наблюдалось убывало выходиого сигнала. Этж особенности находятся в полном оогласжж ! положенжем, что причиной появленжя сигнала является индуцирований пжроэффект.

В § 3.3 расомотрен вопрос об ндептсфжкацжж типов возбуждае-гых в резонаторах колебаяжй, для чего проведен алектроджнамжческжй шалжз резонаторов из танталата калия о электродами на торцевых ■ранях о учетом анжзотропжж матержала резонатора. Проведен вывод >бщих уравнений для нахождеяжя собственных частот, посколыцг I жзвеотиой лжтвратурв отсутствует сколько-нжбудь подробное ^основание характеряотжчеокжх уравненжй, а подходы, традиционные [рж анализе ДР с изотропным диэлектриком, не всегда корректны I аяжзотропяом случае. Рассмотрены последовательно Б-, Г/- ж гжбрид-1Ыв моды. В общем олучав частота гжбржджых колебаний определяется >равхеяжвы:

5е> ^ з ^) * >

А , р - целое чжсло.

!двсь: £„ эначежжя джалвктржчаоков проижцавыостж вдоль

•ож ^ х в поперечной плоокоотж; $ ^ ж «К - фуякцжж Бесселя » [ажкеля ооответствеино; й - раджуо цжлидра,- его выоота; С = ; ы - чжсло варжацжй паля по углу У » жядеко "2"

относятся к внешней области резонатора, О^'г'

д{ = к'е.,, у-,, *7.-<<- /^777

По сравнению о ранее проведенными исследованиями отмечено:

(1) при наличии зависимости по азимутальному углу (р существуют Е- моды, однородные по > , которые ранее рассматривались лишь как результат предельного переходе от - гибридных мод при

I - О, а самостоятельно ие исследовались, в то время как их свойства пря больших существенно отличаются от гибридных мод;

(2) равенствоКЛ получено как следствие граничных условий; поскольку дивлектрик анизотропен, заранее предполагать раввнотво, как это делалось в предыдущих работах, ие было оснований. Получены выроккния, удобные для приближенных расчетов в олучае с I. Показано, что в эксперименте наблюдается возбужденно колебаний Е„- типа, для которого получено удовлетворительное соответствие расчетных и экспериментальных значений собственных частот.

В 5 3.4 проведены оценки чувствительности и количественное сопоставление экспериментальных и расчетных результатов, полученных в предположении линейной зависимости Г(£с,Л и однородного распределения температуры. При качественном подобии зависимостей Ц (ГчиЛ выходного сигнала от величины напряжения смещения численное значение Г"у- пр* = 100 В оказалось примерно в два раза больше экспериментально полученного. Главные причины умеиь-шеяия сигнала по сравнению с расчетом - неоднородность распределения температуры образца и то, что неточная настройка в резонанс в процеосе эксперимента сопровождалась уменьшением коэффициента поглощения образца по сравнению с расчетом. Кроме того, при значительной величине поля смещения ( £<.м ^ 50 В) зависимость становится нелинейной, что также оледует учжтызать в расчетах.

В приложениях I и 2 представлены амплитудно-частотные характеристики элементов СВЧ-тракта экспериментальной установки.

а в приложения 3-5 вынеовни громоздкие промежуточные формулы, относящиеся к расчету собственных чаотот цилиндрических ДР.

В заключении приведены основные результаты;

1. В работе рассчитаны характеристики (пироэлектрический коэффициент и коэффициенты качеотва) виртуальных сегнетээлектриков

( •<ч'Г;0., и КТчО._ ) как материалов для пироэлектрических приемников излучения. Показано, что коэффициенты качеотва виртуальных сегнетоалектриков значительно превосходят параметр»» других материалов. Кроме того, изменяя напряжение смещения, можно легко управлять величиной ппрокооффициента.

2. Оценены характеристики чувствительности пипоприемннков на виртуальных сегнетоэлектриках. Расчеты показали:

а) порог чувствительности таких приемннков может быт1- примерно на два порядка лучше, чем у неохлаждаемых пироприемников;

б) уровеьь шумов в пироприемннках на виртуальных сегнетоэлектриках остяетоя практически неизменным в широкой полосе чаотот (до 104 Гц в ?гТ;оч и до 10е Гц я |"1',,с\ ). Потенциальными преимуществами виртуальных сегивтоэлектрикор по сравнению с собственными сегнетоэлектриками являютоя отсутствие шумов переполяризации и стабильность диэлектрических и пироэлектрических свойств.

3. Рассмотрена колебательная система "комбинированного типа" о реактивным аплменгом из аиртуального оегнетоэлектрика, в которой постоянное поле смещения подается на колебательный контур с термочувствительным конденсатором, находящийся под воздействием колебаний иякачки. Отмечено сосуществование свойств болометре и пироэлектрического приемника. Получены выражения для чувствительности постоянной и перемзнной составляющих заряда на активном элементе.

4. Численные оценки вольтовой и пороговой чувствительности оегяетоалектрического болометра показали, что в резонансных болометрах с виртуальными согнетоэлектриками при гелиевых тенпературах достижим уровень шумов, близкий к пределу, обусловленному температурными флуктуацвдми. При этом по сравнению о полупроводниковыми и сверхпроводящими болометрами, болометрический приемник на виртуальном сегнетоэлектрике устойчив к тепловым перегрузкам и нечувствителен к магнитному полю.

Б. Общим свойством колебательных систем о термочувствительными реактивными элементами является тепловая обратная связь, котора) проявляется либо как тепловая регенерация, либо как автоматическая стабилизация температуры. Показано, что тепловая обратная овязь:

а) позволяет регулировать чувствительность ТПИ;

б) позволяет реализовать резонансное усиление температурного отклика на высоких частотах вблизи порога автомодуляцик;

в) обусловливает существование оптимального уровня накачки в болометрах с термочувствительным реактивным элементом.

6. Предложена и реализована радиофизическая методика эксперимеи-' тельного наблюдения индуцированного пироэлектрического эффекта в виртуальных сегнетоэлектржках. Особенностью методики является применение модулированного СВЧ-излучения для нагрева образцов, которые представляют собой диэлектрические резонаторы дециметрового диапазона.

7. С целью идентификация мод диэлектрических резонаторов, исполь-зовавпихся в эксперименте, исследованы характеристики колебаний цилиндрического ДР, заключенного между проводящими поверхностями. Для случая высокой диэлектрической проницаемости установлены условия, при которых уравнения для собственных частот допускают значительные упрощения и отождествление мод не представляет труда.

8. На ооэдаииой установке экспериментально продемонстрировало наличие индуцированного полем смещения пяроэффекта в кристаллах КТ^с,. при 4,2 К, нзмерепа зависимость вольтовой чувствительности от поля смещения. Сопоставление о расчетными значениями для конкретных условий эксперимента подтверждает полученные результаты.

Материалы диссертации отражены в следующих публикациях

1. Белокопытов Г.В., Красюк Т.В. Перспективы применения вярту- ■ альных сегиетоэлектрнков в тепловых приемниках излучения -Тезисы докладов Ш Воеооюзиой конференции "Актуальные проблемы получения и применения свгяето- и пьезоэлектрических, материалов и их роль в ускорении научно-технического прогресса". НШГЭХИМ, Москва, 1987, с. 57.

2. Белокопытов Г.В., Красюк Т.В. Возможности создания тепловых

приемников излучения на виртуальных сегнетоэлектряках -В об. "Тепловые приемники излучения". Тезисы докладов 17 Всесоюзного семинара по тепловым приемникам излучения. Ленинград, 1988, с. 95-96.

3. Белокопытов Г.В., Красюк Т.В. Цилиндрический сегнетоэлектрж-ческжй резонатор в плоскопареллельном проводящем экрана. Депонжр. в ВИНИТИ 28.06.91 № 2777 - В 91, 18 о.

4. Белокопытов Г.В., Красюк Т.В. Индуцированный пжроэффект

в танталате калия. Депонжр. в ВИНИТИ 22.08.91 Я 3538 - В--91, 21 с.

5. Белокопытов Г.В., Красюк Т.В. Индуцированный пжрояффект

в танталате калжя. - Тезисы докладов 1У Всесоюзной ковферен-цжж "Актуальные проблемы получения ■ применения сегяого-, пьезо-, пжроэлектржчеокжх а родственных ш матерзалов", Москва, 1991.

6. Бвлокопытов Г.В., Красюк Т.В. Индуцированный пироэффект в танта дате калия. - В об. "Актуальные проблемы получения к применения сегнето, пьево, пироэлектрических и родственных им материалов", Москва, ЦРДЗ, 1991, о. 102-105.

7. Бвлокопытов Г.В., Красюк Т.В. Цилиндрический оегявтоэлвктричео-кий резонатор с плоскопараллвльиымн торцевыми электродами. Веотник МГУ, оер. физика, астрономия, 1992. В печати.

8. Бвлокопытов Г.В., Краоюк Т.В, Резонаноный болометр. Веотннк МГУ сер. физика, аогрономяя, 1992. В печати.