Прежде чем мы начнем перечислять преимущества и недостатки каждого типа детекторов, предлагаем вместе разобраться с техническими характеристиками и принципами работы различных ТГЦ-датчиков.
ЧТО ТАКОЕ ЯЧЕЙКА ГОЛЕЯ?
Ячейка Голея - это "фотоакустическое" чувствительное устройство, которое работает при температуре окружающей среды и имеет широкий спектральный отклик. Основными элементами ячейки Голея являются: небольшое окно из полиэтилена высокой плотности или алмаза, газовая камера с тонкой частично поглощающей металлической пленкой, и так называемая "секция оптического микрофона". Когда ТГЦ-излучение проходит через окно и поглощается металлической пленкой, газ, расположенный в кювете, нагревается и расширяется, что в свою очередь провоцирует деформацию задней стенки детектора. Это искажение регистрируется комбинацией светодиода, оптических элементов, решетки и фотодиода. Величина сигнала фотодиода пропорциональна смещению зеркальной стенки газовой кюветы. Таким образом, зная выходную мощность относительно источника, можно откалибровать сигнал фотодиода для проведения ТГЦ-измерений.
ЧТО ТАКОЕ ПИРОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ДЕТЕКТОР?
Пироэлектрический детектор - это чувствительный термодатчик переменного тока, который также работает при комнатной температуре и имеет широкий спектральный диапазон, охватывающий большую часть электромагнитного спектра, включая терагерцовый диапазон. Пироэлектрический детектор основан на тонком сегнетоэлектрическом кристалле с постоянной полярностью (например, LiTaO3), который проявляет выраженный пироэлектрический эффект: мгновенная поляризация зависит от скорости изменения температуры кристалла. Приложив проводящие электроды к верхней и нижней поверхностям кристалла, можно регистрировать сигнал и откалибровать его с точки зрения чувствительности по току.
Сравнение производительности детекторов
Теперь давайте обратим внимание на рабочие характеристики, типичные для ячейки Голея, по сравнению с пироэлектрическим детектором. Следует учитывать факт, что в настоящее время существует только один тип ячейки Голея, в то время как пироэлектрическое устройство может иметь множество форм, например, гибридный детектор/усилитель и детектор мощности или энергии (т.е. в состав измерительного приибора входит сам детектор, электроника и микропроцессор). Так что в рамках нашего исследования мы рассмотрим пироэлектрический гибридный детектор.
| Параметр | Ячейка Голея | Пироэлектрический детектор |
| Размер детектора | 6 мм Ø | от 1.5 до 9 мм Ø |
| Материал окна |
Полиэтилен высокой плотности или алмаз |
Может работать без окна |
| Спектральный диапазон | от 7 до 8000 мкм | от 0.1 до 3000 мкм |
| Максимальная мощность | 10 мкВт | > 50 мВт/см2 |
| Оптимальная частота модуляции | 20 Гц | от 5 до 10 Гц |
| Эквивалентная мощность шума | 1.2 х 10-10Вт/(Гц)1/2 |
1.2 х 10-10Вт/(Гц)1/2 |
| Чувствительность | 150 К при 20 Гц | 150 К при 5 Гц |
| Обнаруживающая способность |
7 х 109см(Гц)1/2/Вт |
4 х 108см(Гц)1/2/Вт |
| Требования к питанию | От сети | От сети или батареи |
| Диапазон рабочих температур | от 5 до 40 ºC |
от -5 до 120 ºC |
| Размер корпуса | 126 х 45 х 87 мм | 8 Ø х 19 мм |
| Время отклика | 25 мс | От мкс до мс |
ВЫВОДЫ ИЗ СРАВНЕНИЯ
Ячейки Голея обладают более высокой чувствительностью и большей рабочей областью. Но с другой стороны среди недостатков ячеек Голея: несъемное окно (что влияет на спектральные характеристики), медленное время отклика, большие габаритные размеры и обязательное подключение к сети питания. С другой стороны, пироэлектрические детекторы почти столь же чувствительны, могут использоваться с окном или без него, опционально оборудуются темным поглотителем для улучшения спектральных характеристик, по своему принципу действия они быстрее, имеют больший диапазон рабочих температур, компактны и могут работать от батареек. На нашем сайте вы можете ознакомиться с широкой продуктовой линейкой ТГЦ-детекторов от Gentec-EO: гибридные детекторы (QS-THZ), интегрированные аналоговые приборы (THZ-I-BNC), детекторы с цифровой синхронизацией (THZ-B).
На следующем графике представлен типичный спектр пироэлектрических детекторов на основе LiTaO3 и спектр типичной ячейки Голея. Обратите внимание на общий характер графиков: это связано с тем, что оба устройство принципиально основываются на поглощении и тепловом отклике.
Типичные терагерцовые спектральные характеристики пироэлектрического детектора и ячейки Голея.
Преимущества ячейки Голея:
- Высокая чувствительность;
- Широкий спектральный диапазон;
- Спектральный диапазон ячеек Голея уже достаточно хорошо изучен;
- Широкий опыт использования в астрономии и ИК-исследованиях;
- Относительно большая рабочая область.
Недостатки ячейки Голея:
- Очень тонкая и хрупкая мембрана может легко выходить из строя;
- Медленный отклик;
- Чувствительность к механическим вибрациям;
- Ограниченный динамический диапазон;
- Высокая стоимость (от 12 до 15 тыс.$).
Преимущества пироэлектрического детектора:
- Высокая чувствительность;
- Широкий спектральный диапазон;
- Компактный размер;
- Широкий диапазон рабочих температур;
- Быстрый отклик;
- Возможность работать с относительно высокомощным излучением (50 мВт);
- Бюджетное решение;
- Устойчив к внешним воздействиям.
Недостатки пироэлектрического детектора:
- Меньшая обнаруживающая способность;
- Относительно новая технология - спектральный отклик не до конца изучен;
- Microphonic response requires attention when setting up the system.
ИТОГИ
Несмотря на тот факт, что история использования ячеек Голея для ТГЦ-измерений длится уже более 30 лет, новые пироэлектрические детекторы обладают целым рядом существенных преимуществ (малый размер, гибкие настройки конфигураций, низкий уровень шума, широкий спектральный диапазон и низкая стоимость). Пироэлектрические детекторы получили распространение совсем недавно (не более 5 лет назад), хотя сама технология теплового детектора является хорошо изученной. Таким образом, для относительных ТГЦ-измерений пироэлектрические детекторы на сегодняшний день являются отличным выбором. А по мере дальнейшего развития технологии производства и применения пироэлектриков сами детекторы будут становиться только лучше.
