Введение к работе
Актуальность работы. Инфракрасная техника в последние годы стала мощным инструментом научных исследований и получила широкое распространение во многих практических приложениях. Своим прогрессом она во многом обязана появлению новых материалов, чувствительных в инфракрасной (ИК) области спектра, и методик их изготовления. В первую очередь это относится к тонкопленочным технологиям с применением многокомпонентных соединений. Приборы ИК техники, использующие эти материалы в качестве активных элементов, служат для регистрации и преобразования излучения ИК диапазона в аналоговые или цифровые сигналы, легко поддающиеся компьютерной обработке. Реализованная в подобных устройствах обратная связь превращает их в удобные элементы управления различными техническими системами и механизмами.
Одно из основных мест в ряду узкозонных полупроводников, используемых для создания на их основе тонкопленочных первичных измерительных преобразователей (ПИП) ИК излучения, занимают соединения, включающие кадмий и серу. Анализ литературных источников показал, что основными недостатками таких преобразователей являются необходимость глубокого охлаждения при эксплуатации и узкий диапазон принимаемого излучения.
С целью расширения диапазона регистрируемого излучения за счет создания ряда селективных ПИП, область чувствительности которых совокупно охватывает заданный диапазон, синтезирован твердый раствор, полученный легированием сульфида кадмия оловом. Исследование свойств этого раствора позволяет утверждать, что на его основе можно создавать неохлаждаемые селективные ПИП ИК излучения. По сравнению с традиционно используемыми материалами (в основном теллуридами свинца, кадмия и ртути), производство рассматриваемого материала отличается своей простотой и безопасностью. Использование других материалов не дает высокой чувствительности к ИК излучению, что влечет за собой необходимость глубокого охлаждения ПИП при эксплуатации. Поэтому проблема поиска новых доступных, технологичных, пригодных для использования в ИК области без глубокого охлаждения материалов является актуальной.
Цель работы. Разработка и внедрение в практику нового первичного измерительного преобразователя для определения спектральной плотности электромагнитного излучения ИК спектра, преимуществами которого являются расширение диапазона принимаемого излучения при помощи селективных ПИП, не нуждающихся в охлаждении при эксплуатации, созданных на основе нового материала.
Для достижения поставленной цели были решены следующие задачи'
изучены структура и свойства соединения Cdj^Sn^S и теоретически обоснована возможность его использования в качестве чувствительного материала для ПИП электромагнитного излучения ИК спектра;
математически описан процесс формирования проводимости в ПИП излучения;
экспериментально подтверждена корректность результатов исследования;
разработана методика производства селективного ПИП ИК излучения;
разработано устройство для измерения спектральной плотности ИК излучения, в котором в качестве чувствительного элемента используется ПИП, созданный на основе сплава Cdj^Sn^S;
проведена метрологическая оценка результатов измерения.
Методы и методики исследования. Результаты исследования, включенные в диссертацию, базируются на теоретических основах физики полупроводников, математическом моделировании, основах полупроводниковых технологий, а также на экспериментальных исследованиях, проведенных на кафедре «Материалы и технология» Тамбовского государственного университета.
Научная новизна работы заключается в следующем:
создан ПИП для измерения спектральной плотности ИК излучения, выполненный на основе нового материала;
аналитически описаны электрофизические процессы, происходящие в ПИП при взаимодействии его с лучистыми потоками малой энергии;
синтезирован сплав, предназначенный для создания ПИП электромагнитного излучения ИК спектра, который ранее не использовался в этой области;
разработана методика получения тонкопленочного Cd^So^S;
разработана конструкция ПИП ИК излучения, новизна которого подтверждена патентом Российской Федерации;
разработано микропроцессорное устройство для измерения спектральной плотности ИК;
разработано программное и метрологическое обеспечение для разработанного устройства.
Практическая ценность работы заключается в том, что на основе проведенных исследований создано устройство измерения спектральной плотности электромагнитного излучения ИК спектра, позволяющее расширить рабочий диапазон за счет создания ряда селективных преобразователей, область чувствительности которых совокупно охватывает диапазон электромагнитного излучения в интервале 5... 12,5 мкм.
Результаты исследования могут быть рекомендованы для использования в научно-исследовательской деятельности и промышленности для бесконтактных неразрушающих методов контроля физических и технологических характеристик различных материалов.
Реализация результатов теоретических и практических исследований автора работы прошли промышленные испытания и внедрены на ОАО «Электроприбор» г. Тамбова. Также они используются в научно-исследовательской и учебной работе на кафедре «Материалы и технология» Тамбовского государственного технического университета.
Апробация работы. Основные результаты работы докладывались на V научной конференции ТГТУ (Тамбов, 2000), международной научно-технической конференции «Новые материалы и технологии на рубеже веков» (Пенза, 2000), международной научно-практической конференции «Промышленные и бытовые отходы: проблемы хранения, захоронения, утилизации, контроля» (Пенза, 2000), научной конференции молодых ученых и аспирантов Адыгейского государственного университета (Майкоп, 2002).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 10 научных работ. Получен патент на изобретение.
Структура работы. Диссертация содержит введение, 4 главы, заключение и приложения, изложенные на 115 страницах машинописного текста, 34 рисунках, 11 таблицах, список используемой литературы включает 103 наименования.
Автор работы выражает благодарность к.т.н., доценту кафедры «МиТ», ТГТУ A.M. Минаеву за активное консультирование при решении теоретических вопросов диссертации.
