Исследования уровня внутреннего фона инфракрасного излучения на фотоприёмнике в криостате

Алдохин П.А., Новоселов А.Р., Хрящёв С.В., Добровольский П.П., Шатунов К.П.

Полный текст на elibrary.ru

Публикация в Journal of Optical Technology

Ссылка для цитирования:

Алдохин П.А., Новоселов А.Р., Хрящёв С.В., Добровольский П.П., Шатунов К.П. Исследования разными методами уровня внутреннего фона инфракрасного излучения на фотоприёмнике в криостате // Оптический журнал. 2024. Т. 91. № 2. С. 122–130. http://doi.org/10.17586/1023-5086-2024-91-02-122-130

Aldochin P.A., Novoselov A.R., Khryashchev S.V., Dobrovolsky P.P., Shatunov K.P. Studies of the level of the internal background of infrared radiation on a photodetector in a cryostat [in Russian] // Opticheskii Zhurnal. 2024. V. 91. № 2. P. 122–130. http://doi.org/10.17586/1023-5086-2024-91-02-122-130

Ссылка на англоязычную версию:

Pavel A. Aldokhin, Andrew R. Novoselov, Sergey V. Khryashchev, Peter P. Dobrovolsky, and Konstantin P. Shatunov, "Level of the internal background of infrared radiation on a photodetector in a cryostat," Journal of Optical Technology. 91(2), 131-135 (2024). https://doi.org/10.1364/JOT.91.000131

Аннотация:

Предмет исследования. Два метода измерения уровня внутреннего фона инфракрасного излучения (8–12 мкм) на охлаждённом (до 77 К) фотоприёмнике с охлаждаемой до той же температуры цилиндрической диафрагмой в вакуумном криостате. Исследованы ограничения и возможности каждого метода. Цель работы. Эффективный метод измерения уровня внутренней фоновой облучённости фотоприёмника в охлаждённом вакуумном криостате. Методология. Первый метод — прямым измерением уровня внутреннего фона тепловизионной камерой, направленной на поверхность фотоприёмника, и второй — численным моделированием уровня внутреннего фона. Основные результаты. Прямое измерение уровня внутреннего фона тепловизионной камерой, направленной на поверхность фотоприёмника, сделано впервые. Измерения проведены двумя тепловизионными камерами: неохлаждаемой и охлаждаемой до той же температуры, что и фотоприёмник в вакуумном криостате с цилиндрической холодной диафрагмой (77 К). Выяснено, что на уровень внутреннего фона значительно влияет ИК излучение самой тепловизионной камеры, увеличивая его. Также стандартный объектив не отсекал проникновение внешнего ИК излучения в исследуемый криостат, где оно отражалось от края диафрагмы на фотоприёмник тепловизионной камеры. Таким образом, для измерения внутреннего фона необходимо применять охлаждаемую тепловизионную камеру и специальный объектив, исключающий попадание стороннего ИК излучения в криостат. Численное моделирование уровня внутреннего фона является эффективным, чувствительным к задаваемым параметрам методом: уменьшение коэффициента отражения внутренней поверхности цилиндрической диафрагмы в 3 раза (с 18,5 до 6%) или введение одной внутренней дополнительной диафрагмы (бленды) в неё снижает уровень внутреннего фона не менее, чем в 4 раза. Метод позволяет вычислять пространственное распределение уровня внутреннего фона для разных конструкций и форм холодной диафрагмы. Практическая значимость. Выяснение уровня внутреннего фона в криостате необходимо для оптимизации формы и конструкции диафрагмы, обеспечивающей минимальный уровень темнового тока и шума фотоприёмников, и, следовательно, повышения чувствительности тепловизора.

Ключевые слова:

инфракрасное излучение, внутреннее фоновое излучение, охлаждаемый криостат, холодная диафрагма

Коды OCIS: 040.1240, 040.1490, 100.0100, 250.0040

Список источников:

1. Зверев А.В., Сусляков А.О., Сабинина И.В., Сидоров Г.Ю., Якушев М.В., Кузьмин В.Д., Варавин В.С., Ремесник В.Г., Макаров Ю.С., Предеин А.В., Горшков Д.В., Дворецкий С.А., Васильев В.В., Сидоров Ю.Г., Латышев А.В., Кремис И.И. Матричные фотоприемные устройства формата 384ґ288 элементов для ИК диапазона 8–10 мкм // Успехи прикладной физики. 2018. Т. 6. № 3. С. 224–230. https://doi.org/10.1134/S1064226919090171

2. Предеин А.В., Сидоров Ю.Г., Сабинина И.В., Васильев В.В., Сидоров Г.Ю., Марчишин И.В. Высококачественные длинноволновые инфракрасные матричные ФПУ формата 320ґ256 элементов на основе слоев CdHgTe, выращенных методом МЛЭ // Автометрия. 2013. Т. 49. № 5. С. 78–85.

3. Васильев В.В., Овсюк В.Н., Шашкин В.В., Асеев А.Л. Инфракрасные фотоприемные модули на варизонных слоях КРТ и на структурах с квантовыми ямами GaAs/AlGaAs // Оптический журнал. 2005. Т. 72. № 6. С. 63–69.

4. Патрашин А.И. Теоретическое исследование фоновых облучённостей ИК МФЧЭ с холодными диафрагмами заданных типов // Прикладная физика. 2011. № 3. С. 98–106.

5. Патрашин А.И. Инфракрасное фотоприемное устройство с оптимальной диафрагмой // Прикладная физика. 2011. № 4. С. 65–70.

6. Rogalski A. Progress in focal plane array technologies // Progress in Quantum Electronics. 2012. V. 36. P. 342–473.

7. Кузнецов Н.С. Проектирование и технология изготовления ВВК и стыковки с ГКМ. Курс лекций. М: Исследовательский технологический университет «МИС и С», 2021. 46 с.

8. Bo Yi Song, Kai Luo, Hui Tao Yang, Kan Qin, Wang Li. Thermodynamic performance analysis of stirling engine with a nodal analysis method // Advanced Materials Research. 2013. V. 712–715. P. 1625–1629. https://doi.org/10.4028/www.scientific.net/AMR.712-715.1625

9. Хитрова Л.М., Лопухин А.А., Савостин А.В., Марусова И.Н., Касаткин И.Л. Охлаждаемый матричный фотоприемник ИК излучения с диафрагмой и способ изготовления диафрагмы // Патент РФ RU 2 377 694 C1. 2009.

10. Ефимова З.Н., Ефимов И.В., Мансветов Н.Г., Власов П.В., Лопухин А.А., Киселева Л.В., Савостин А.В. ИК матричный фотоприёмник с охлаждаемой диафрагмой и способ изготовления диафрагмы // Патент РФ RU 2 571 171 C1. 2015.

11. ZEMAX 13. Optical design program. User’s manual. 2015. June 24. 805 p.

12. Макаренко А.В., Правдивцев А.В., Юдин А.Н. Метод оценивания внутреннего излучения оптических трактов инфракрасных систем // Радиотехника. Электромагнитные волны и электронные системы. 2009. № 12. С. 28–37.

13. Новоселов А.Р., Алдохин П.А., Добровольский П.П.,Гусаченко А.В., Новгородов Б.Н., Шатунов К.П., Чурилов С.М. Исследование отражения диафрагмами ИК излучения в тепловизионных приборах // Автометрия. 2021. Т. 57. № 3. С. 117–125. https://doi.org/ 10.15372/AUT20210313

14. Колосов М.П. Борьба с боковыми помехами в оптико-электронных приборах // Сборник статей под ред. В.В. Тарасова и Ю.Г. Якушенкова / М: «Алтей и К», 2001. Вып. 1. С. 161.

15. Novoselov A.R., Dobrovolsky P.P., Khryashchev S.V., Shatunov K.P., Aldokhin P. A. Investigation of parasitic background IR radiation levels on a photodetector surface in a vacuum cryostat // Proceeding IEEE International Multi-Conference on Engineering, Computer and Science (SIBIRCON). 2022. P. 1470–1473. https://doi.org/10.1109/SIBIRCON56155.2022.10016953