اصول، کاربردها و راهنمای انتخاب آشکارسازهای مادون قرمز

1. اصل اساسی تشخیص مادون قرمز

اصل اساسی یک آشکارساز مادون قرمز، تبدیل تابش IR ورودی به یک سیگنال الکتریکی قابل اندازه‌گیری است. این فرآیند به اثر فوتوالکتریک و اثرات حرارتی متکی است.

الف. آشکارسازهای فوتونی (کوانتومی):
اینها رایج‌ترین آشکارسازهای با عملکرد بالا هستند. آنها بر این اصل عمل می‌کنند که فوتون‌های IR حادثه می‌توانند مستقیماً الکترون‌ها را در یک ماده نیمه‌رسانا از نوار ظرفیت به نوار رسانش تحریک کنند، در نتیجه خواص الکتریکی آن (به عنوان مثال، رسانایی یا تولید ولتاژ) را تغییر می‌دهند.

• مکانیسم کلیدی: یک فوتون با انرژی بیشتر از انرژی شکاف ماده جذب می‌شود و یک جفت الکترون-حفره ایجاد می‌کند. این منجر به یک جریان نوری یا تغییری در مقاومت می‌شود که قابل اندازه‌گیری است.

• ویژگی‌ها:

  • حساسیت و قابلیت تشخیص بالا: آنها مستقیماً به فوتون‌ها پاسخ می‌دهند و آنها را بسیار سریع و حساس می‌کنند.

  • پاسخ ویژه طول موج: طول موج قطع آنها (λc) توسط شکاف انرژی ماده نیمه‌رسانا تعیین می‌شود (به عنوان مثال، ایندیوم گالیوم آرسنید - InGaAs برای IR موج کوتاه، تلورید کادمیوم جیوه - MCT برای IR موج متوسط).

  • معمولاً به خنک‌سازی نیاز دارند: برای کاهش حامل‌های تولید شده حرارتی (جریان تاریک) که سیگنال فوتونی ضعیف را غرق می‌کنند، اغلب باید تا دمای برودتی (به عنوان مثال، 77 کلوین) خنک شوند.

ب. آشکارسازهای حرارتی:
این آشکارسازها با جذب تابش IR عمل می‌کنند که باعث تغییر در یک ویژگی وابسته به دما از ماده می‌شود.

• مکانیسم کلیدی: تابش IR حادثه، عنصر آشکارساز را گرم می‌کند و منجر به یک تغییر قابل اندازه‌گیری می‌شود. انواع رایج عبارتند از:

  • میکروبولومترها: تغییر در دما، مقاومت الکتریکی یک ماده اکسید وانادیوم (VOx) یا سیلیکون آمورف (a-Si) را تغییر می‌دهد.

  • آشکارسازهای پیروالکتریک: تغییر دما باعث ایجاد تغییر در بار سطحی در یک کریستال فروالکتریک (به عنوان مثال، تانتالات لیتیوم) می‌شود.

• ویژگی‌ها:

  • پاسخ طیفی پهن باند: آنها گرما را در یک محدوده وسیعی از طول موج‌های IR بدون قطع ناگهانی جذب می‌کنند.

  • حساسیت و سرعت کمتر: به طور کلی کندتر و کمتر از آشکارسازهای فوتونی حساس هستند زیرا فرآیند حرارتی گرمایش و سرمایش زمان می‌برد.

  • معمولاً خنک نشده: آنها در دمای اتاق یا نزدیک به آن کار می‌کنند و آنها را جمع و جورتر، مقاوم‌تر و کم‌مصرف‌تر می‌کند.

انتخاب آشکارساز IR مناسب شامل یک مبادله دقیق بین عملکرد، محدودیت‌های عملیاتی و بودجه است. این سوالات کلیدی را بپرسید:

1. کاربرد اصلی چیست؟

• برای تصویربرداری با عملکرد بالا و برد بلند (نظامی، نجوم): یک آشکارساز MWIR خنک شده (به عنوان مثال، MCT یا InSb) معمولاً بهترین انتخاب است به دلیل حساسیت و وضوح برتر آن.

• برای تصویربرداری حرارتی با هدف عمومی (نگهداری، امنیت، آتش‌نشانی): یک میکروبولومتر خنک نشده که در LWIR کار می‌کند، ایده‌آل است. این تعادل خوبی از عملکرد، هزینه و قابلیت حمل را ارائه می‌دهد.

• برای تشخیص گاز یا تجزیه و تحلیل شیمیایی: یک آشکارساز منطبق با طول موج جذب خاص گاز هدف مورد نیاز است (به عنوان مثال، MCT یا InSb خنک شده برای بسیاری از گازهای صنعتی، یا InGaAs تخصصی برای کاربردهای SWIR مانند تشخیص متان).

2. پارامتر عملکرد بحرانی چیست؟

• حساسیت (NETD): اگر نیاز به دیدن کوچکترین تفاوت‌های دمایی ممکن دارید، یک آشکارساز خنک شده ضروری است.

• سرعت (نرخ فریم): برای تصویربرداری از رویدادهای بسیار سریع، یک آشکارساز فوتونی سریع ضروری است.

• باند طیفی: MWIR اغلب برای اهداف داغ و تصویربرداری از طریق مه بهتر است. LWIR برای دیدن اشیاء در دمای اتاق با کنتراست بالا ایده‌آل است و کمتر تحت تأثیر پراکندگی جوی قرار می‌گیرد.

3. محدودیت‌های عملیاتی چیست؟

• اندازه، وزن و توان (SWaP): برای سیستم‌های دستی، باتری‌دار یا نصب شده بر روی پهپاد، SWaP کم خنک نشده آشکارسازها یک مزیت تعیین‌کننده است.

• هزینه: سیستم‌های خنک نشده هزینه کل مالکیت (قیمت واحد، نگهداری، برق) را به میزان قابل توجهی کاهش می‌دهند.

• دوام و قابلیت اطمینان: آشکارسازهای خنک نشده که هیچ قسمت متحرکی ندارند (برخلاف خنک‌کننده‌های مکانیکی)، به طور کلی قابلیت اطمینان بالاتری و عمر عملیاتی طولانی‌تری را ارائه می‌دهند.

4. بودجه چیست؟
همیشه هزینه کل سیستم، از جمله آشکارساز، اپتیک، سیستم خنک‌کننده (در صورت وجود) و الکترونیک پردازش را در نظر بگیرید. سیستم‌های خنک نشده مقرون به صرفه‌ترین راه‌حل را برای اکثریت قریب به اتفاق برنامه‌های تجاری ارائه می‌دهند.