۱۳۹۹/۰۲/۲۳ ۱۶:۴۴ ۲۱۴
طبقه بندی: داده ها و سنجنده ها
چچ
آشکارسازهای حرارتی

آشکارسازهای حرارتی


علاوه بر آشکارسازهای فوتونی،‌ از دیگر ساختارهای تصویربرداری در طول‌موج‌های بلند، استفاده از آشکارسازهای حرارتی است. ‏این آشکارسازها از اثر گرمایی تابش الکترومغناطیسی جهت ثبت داده بهره می‌برند؛ در این روش با تعیین میزان تغییرات و ‏بهنجارش مشخصه‌های الکتریکی آشکارساز نظیر مقاومت الکتریکی نسبت به تغییرات دما، مقیاسی از اندازه شدت تابش ‏برخوردی حاصل می‌شود که معادل با شدت تابش صحنه است.

علاوه بر آشکارسازهای فوتونی،‌ از دیگر ساختارهای تصویربرداری در طول‌موج‌های بلند، استفاده از آشکارسازهای حرارتی است. ‏این آشکارسازها از اثر گرمایی تابش الکترومغناطیسی جهت ثبت داده بهره می‌برند؛ در این روش با تعیین میزان تغییرات و ‏بهنجارش مشخصه‌های الکتریکی آشکارساز نظیر مقاومت الکتریکی نسبت به تغییرات دما، مقیاسی از اندازه شدت تابش ‏برخوردی حاصل می‌شود که معادل با شدت تابش صحنه است. شاخص‌ترین آشکارسازهای حرارتی ترموکوپل، بلومتر و ‏پایروالکتریک می‌باشند که سازوکار عملکرد هریک بدین شرح است؛ آشکارساز ترموکوپل با اتصال دو ماده غیرمشابه که ‏دارای توان ترموالکتریکی متفاوتی هستند ساخته می‌شود. تفاوت دمایی بین این اتصال به هنگام برخورد تابش، جریانی تولید ‏می‌کند که ضریبی از توان تابش برخوردی است. آشکارساز بلومتر نیز با اندازه‌گیری تغییر مقاومت الکتریکی یک نیمه‌رسانا به ‏سبب تغییر دمای ناشی از تابش حرارتی، مقیاسی از تابش برخوردی ارائه می‌کند و آشکارساز پایروالکتریک که با تغییر ‏قطبش کریستال‌های فروالکتریک به هنگام تغییر دمای ناشی از تابش حرارتی، دچار جابجایی جریان و شارش می‌شود و ‏میزان تابش برخوردی را تعیین می‌کند. شکل ذیل طرح‌واره‌ای از سازوکار آشکارساز پایروالکتریک را نشان می‌دهد.‏
.


شکل 1 - طرح‌واره‌ای از سازوکار آشکارساز پایروالکتریک

.

مهم‌ترین چالش در استفاده از این آشکارسازها، عایق‌بندی و کنترل حرارتی آن‌ها است. در حالت ایده آل یک آشکارساز در ‏نبود تابش، نباید هیچ جریانی تولید نماید که البته این موضوع با اصول فیزیک کوانتومی در تناقض است، بنابراین جهت ‏کاهش نویز و افزایش کارآیی ‌آشکارسازهای مذکور از روش‌های مختلف عایق‌بندی و خنک‌سازی استفاده می‌شود. به‌طورکلی ‏خنک‌سازی به دو دسته فعال و غیرفعال تقسیم می‌شود؛ خنک‌کننده‌های غیرفعال در آشکارساز بسیاری از سامانه‌های ‏تصویربرداری فضایی مورداستفاده قرارگرفته‌اند. محدودیت وابستگی طول عمر خنک‌کننده‌های غیرفعال به آلودگی و کیفیت ‏سطوح، استفاده از خنک‌کننده‌های فعال یا برودتی را جایگزین آن‌ها در بسیاری از مأموریت‌های فضایی نموده است. چرخه ‏استرلینگ فعال یکی از شاخص‌ترین چرخه‌های ترمودینامیکی جهت خنک‌سازی آشکارسازها در مأموریت‌های رصد زمین ‏است. پروژه‌های ‏MIPAS‏ و‎ ENVISATنمونه‌های بارزی از استفاده چرخه استرلینگ در خنک‌سازی آشکارسازهای فضایی ‏می‌باشند. شکل ذیل نیز نمایی از خنک‌کننده فعال سامانه تصویربرداری ماهواره ‏Sentinel-3‎‏ را نشان می‌دهد که دمای ‏آشکارساز مادون‌قرمز این سامانه را تا 80 کلوین خنک می‌سازد.‏
.


شکل 2 - نمایی از خنک‌کننده فعال سامانه تصویربرداری ماهواره ‏Sentinel-3‎

.

تغییر دمای آشکارسازهای حرارتی جهت آشکارسازی، نیازمند زمان محدودی است که در مقایسه با آشکارسازهای فوتونی که ‏در آن گذار بلادرنگ اتفاق می‌افتد، دارای ثابت زمانی طولانی‌تری است. این ثابت زمانی در حدود چند میلی‌ثانیه است که این ‏زمان، تصویربرداری با قدرت تفکیک بالا را محدود می‌کند و از معایب استفاده این آشکارسازها به شمار می‌رود. مزیت ‏آشکارسازهای حرارتی، استفاده از کل انرژی جذب‌شده به‌صورت مستقل از طول‌موج است، موضوعی که در آشکارسازهای ‏فوتونی توسط بازه طیفی و حساسیت به طول‌موج محدود می‌شود. شکل ذیل که منحنی پاسخ طیفی نسبی آشکارساز حرارتی ‏و فوتونی ایده آل برحسب طول‌موج به ازای انرژی و شار فوتونی ثابت را نشان می‌دهد، گویای موضوع مذکور است.‏

.


شکل 3 - منحنی پاسخ طیفی نسبی آشکارساز حرارتی و فوتونی برحسب طول‌موج به ازای: (‏a‏) انرژی ثابت و (‏b‏) شار فوتونی ثابت‏

آدرس کوتاه شده: