超導(dǎo)紅外探測器分類與探測機(jī)理

與半導(dǎo)體探測器一樣，高溫超導(dǎo)紅外探測器可分為熱敏型和光子型兩大類，以下著重談?wù)勥@兩類探測器的探測機(jī)理。目前國內(nèi)外高溫超導(dǎo)紅外探測器應(yīng)用研究，主要精力是放在熱敏型(Bolometer)上，且熱敏型探測器的研制已逐漸成熟，并進(jìn)入實(shí)用階段。其工作原理為:Bolometer即測輻射熱計(jì)，是一種測量紅外輻射的熱敏電阻，是一種阻值隨所接收紅外輻射量變化的紅外探測器，它是利用超導(dǎo)體從正常態(tài)轉(zhuǎn)變到超導(dǎo)態(tài)時(shí)電阻隨溫度變化而急劇變化的特性來檢測紅外輻射的，如圖1所示。從圖1中可見，在超導(dǎo)轉(zhuǎn)變邊緣，微小的溫度變化，將產(chǎn)生急劇的電阻變化，且轉(zhuǎn)變區(qū)越陡越好，曲線越陡，超導(dǎo)器件的靈敏度將越高.P.LRichards等人對于超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度Tc=90K，超導(dǎo)零電阻溫度Tc0=80K的高溫超導(dǎo)Bolometer的性能進(jìn)行了估算，其噪聲等效功率NEP為(1~20)x10^-15WHz^1/2。并且由于Bolometer的熱效應(yīng)，高溫超導(dǎo)Bolometer的光譜響應(yīng)是很寬的，它提供較平坦的響應(yīng)直到亞毫米甚至毫米波段，且響應(yīng)僅與吸收的輻射功率有關(guān)，而與波長無關(guān)。

光子型紅外探測器，按工作原理可分為3種:光輔助隧道效應(yīng)、非平衡光電效應(yīng)和光磁量子效應(yīng)。3種當(dāng)中以光輔助隧道效應(yīng)為基礎(chǔ)的Josephson結(jié)探測器進(jìn)展較快，現(xiàn)簡述其工作原理.光輔助隧道效應(yīng)即Josephson效應(yīng)的工作原理是:把具有超導(dǎo)體(s)一絕緣體(I)一超導(dǎo)體(S)結(jié)構(gòu)叫做Josephson結(jié).當(dāng)對這種隧道結(jié)加恒定電場時(shí)，結(jié)區(qū)產(chǎn)生高頻電流，并輻射或吸引電磁波，其頻率v與電壓有如下關(guān)系:v=e(V)/h該公式說明光子能量hv可引起超導(dǎo)隧道結(jié)的I一V特性發(fā)生變化.根據(jù)這個(gè)原理可以制成性能優(yōu)良的紅外探測器.但目前高溫超導(dǎo)Josephson結(jié)探測器研究由于機(jī)理較為復(fù)雜，特性較難控制，仍處于實(shí)驗(yàn)室中的探索研究階段。

1911年荷蘭物理學(xué)家?？恕た┝帧ぐ杭{斯在液氦溫度下研究幾種純金屬的電阻與溫度的關(guān)系時(shí)驚奇的發(fā)現(xiàn)，當(dāng)溫度下降到約-268.85℃(即4.3K)時(shí)，汞的電阻從0.125Ω突然下降到零，金屬的這種奇異現(xiàn)象就稱為超導(dǎo)。具有超導(dǎo)電性質(zhì)的物體稱為超導(dǎo)體。利用超導(dǎo)電現(xiàn)象研制的探測器叫超導(dǎo)探測器。用超導(dǎo)探測器檢測紅外輻射，早在50年代就開始了，但由于20K以下深低溫的工作條件而一直停滯不前。高Tc(>77)超導(dǎo)材料的問世，使這一技術(shù)領(lǐng)域得以新生，尤其是1986年以后，國內(nèi)外竟相開展了高Tc超導(dǎo)技術(shù)研究.十幾年來，在“超導(dǎo)熱”中，高溫超導(dǎo)紅外探測器已顯示出良好的應(yīng)用前景，并且隨著超導(dǎo)膜制備技術(shù)的日臻成熟，加上集成的微結(jié)構(gòu)工藝可以直接引用，使高Tc超導(dǎo)探測技術(shù)研制水平進(jìn)人實(shí)用階段 。

• 常規(guī)的半導(dǎo)體紅外探測器工作波段受波長范圍的限制，應(yīng)用范圍即受到局限.而超導(dǎo)紅外探測器就不存在這一缺點(diǎn)，它具有非常寬的響應(yīng)波段范圍，不僅可以探測從紫外、可見光、紅外到遠(yuǎn)紅外的電磁輻射，還可探測X射線、亞毫米波、毫米波、微波，基本上覆蓋了整個(gè)電磁波譜;在遠(yuǎn)紅外和毫米波譜區(qū)內(nèi)，高Tc超導(dǎo)探測器是性能最好的器件(LN2)，目前在8~14um性能最好的紅外探測器是啼鍋汞(HgCdTe)，但若波長大于20um，它的靈敏度將大大下降，而超導(dǎo)探測器的性能仍保持不變。

• 具有較好的全天候工作能力.

• 列陣器件適合紅外熱像系統(tǒng).尤其是使亞毫米波段減像的研究成為可能.亞毫米波段成像的顯著特點(diǎn)是:能彌補(bǔ)由于大氣中雨霧的作用而受到影響的紅外系統(tǒng)的缺陷，同時(shí)它在空間分辨率上優(yōu)于毫米波探測系統(tǒng)。長期從事紅外技術(shù)研究的、美國Honeywell傳感器與系統(tǒng)發(fā)展中心的.PW.Kurse認(rèn)為，高Tc超導(dǎo)探測器是紅外與亞毫米波波段的最佳器件(65~90K)，這種探測器猶如架在紅外與毫米波之間的一座橋梁，填補(bǔ)了目前亞毫米波段無探測器的空白.

• 功耗低、噪聲爾，便于研制大面積均勻列陣和焦平面.

• 成品率高、成本低，據(jù)SpIE(Vol.2020)報(bào)道，1993年美國Honeywell傳感器與系統(tǒng)發(fā)展中心宣布:淀積在iS微觀結(jié)構(gòu)上的高溫超導(dǎo)Bolometer的成本比HgCdTe的要低幾個(gè)數(shù)量級。

• 超導(dǎo)集成電路的研制成功將使得未來的星載紅外成像系統(tǒng)能夠探測更冷的物體，而且能使這些成像系統(tǒng)的造價(jià)更低。

• 低功耗。超導(dǎo)電路可認(rèn)為是無功耗的，但實(shí)際上功耗是存在的。通常它比相同作用的半導(dǎo)體電路的功耗低兩個(gè)數(shù)量級。超導(dǎo)FPA的研究內(nèi)容，除敏感元之外還包括前放(可選SQUD)、A/ D轉(zhuǎn)換和信息處理等電路?？偟膩砜?，超導(dǎo)電路的功耗要比半導(dǎo)體電路低1～ 2個(gè)數(shù)量級。

• 超導(dǎo)線路尺寸極小。從亞微米和納米結(jié)構(gòu)研究報(bào)道看，微米級的器件加上微米級的線路將比半導(dǎo)體FPA具有更高的密度，因而可完成更為復(fù)雜的信息處理工作。

• 便于研制大面積均勻列陣。由于超導(dǎo)均勻膜已具有Υ 76mm的尺寸，因此利用現(xiàn)有的光刻技術(shù)完全可以制造大面積均勻敏感元。而且壞器件極少，甚至沒有。

• 成品率高、價(jià)格低。這是由超導(dǎo)制膜和光刻工藝可靠所決定的。用高Tc超導(dǎo)體淀積在Si微結(jié)構(gòu)上的薄膜制成的bolometer器件的成品率很高，且其成本比HgCdTe低5～ 6個(gè)量級 。

高溫超導(dǎo)紅外探測器是紅外至毫米波段的優(yōu)良接收器，它可用于諸多領(lǐng)域:

• 軍事上，作紅外(尤其是遠(yuǎn)紅外)和亞毫米波行掃描儀、遠(yuǎn)紅外激光器的接收器件，紅外前視系統(tǒng)、熱像儀(用于大于20召In至亞毫米波段的成像)的接收器件，以及用于精密制導(dǎo)、火控、紅外偵查、光電對抗等武器系統(tǒng).

• 民用上，用于低溫測溫儀、光譜儀、天文探測，特別是天文衛(wèi)星對外層空間的探測、長波地物輻射波譜檢測、托克馬克離子體電子溫度測量等。

真空超導(dǎo)是在“真空”狀態(tài)下，使介質(zhì)（超導(dǎo)液）發(fā)生相變，而產(chǎn)生“超導(dǎo)”現(xiàn)象。只要介質(zhì)達(dá)到了設(shè)定的沸點(diǎn)，瞬間即能吸收大量的熱，在真空狀態(tài)下，以聲音的速度向遠(yuǎn)端傳遞熱量。它的熱效率可達(dá)到95%以上，因此，大量的節(jié)省能源。如果用于采暖，它比水暖系統(tǒng)要節(jié)省50%左右。真空超導(dǎo)技術(shù)是當(dāng)今超導(dǎo)傳熱和高效換熱新技術(shù)，因此，在當(dāng)今能源緊缺的時(shí)代，該技術(shù)就成了世界各國所關(guān)注的熱門節(jié)能技術(shù)。

太陽能超導(dǎo)采暖技術(shù)是當(dāng)今世界超導(dǎo)高效傳熱新技術(shù)，是一種高效節(jié)能新技術(shù)。它以音速傳熱，熱效率可達(dá)到95%~98%以上，與水暖供熱相比，真空超導(dǎo)采暖要比水暖節(jié)能50%以上，因?yàn)樗臒嵝蕛H為34.75%。太陽能超導(dǎo)采暖技術(shù)的研發(fā)與應(yīng)用，適應(yīng)了當(dāng)前經(jīng)濟(jì)發(fā)展的需要，有著無比的開發(fā)價(jià)值和廣闊的市場，凡是有能源的地方都可以使用，用途廣泛，可以使用于：采暖運(yùn)用、烘干房運(yùn)用、真空超導(dǎo)空調(diào)、真空超導(dǎo)燃煤氣化爐、熱風(fēng)機(jī)、熱風(fēng)爐。

針對大慶油田常用的清防蠟技術(shù)存在污染油層、成本高和能耗高的現(xiàn)狀，文獻(xiàn) 提出了利用地?zé)豳Y源和真空管超導(dǎo)傳熱原理，將加入超導(dǎo)介質(zhì)的真空密閉雙層(或單層)空心抽油桿下入到地層溫度為60～80℃的井段，通過大地溫度將超導(dǎo)液體加熱汽化，迅速將大地溫度傳到整個(gè)抽油桿密閉空間，加熱井筒內(nèi)的混合油液，使井筒內(nèi)液體溫度高于結(jié)蠟溫度，實(shí)現(xiàn)低成本、無污染清防蠟的目的。理論上，只要選擇合適的空心抽油桿參數(shù)和超導(dǎo)液，下到合理的深度，充盈的地?zé)豳Y源就可以滿足對井筒內(nèi)液體加熱的需要。與常規(guī)抽油機(jī)井相比，采用該新型防蠟工藝技術(shù)，每年每口井可節(jié)省采油費(fèi)用0.67萬元。

1、蒸氣鍋爐專用超導(dǎo)精；

2、太陽能熱管專用超導(dǎo)精；

3、電暖氣真空專用超導(dǎo)精；

4、電暖氣免真空專用超導(dǎo)精；

5、熱管專用超導(dǎo)精；

6、鍋爐余熱回收專用超導(dǎo)精；

7、食品烘干、烤箱專用超導(dǎo)精；

8、烘烤木材等專用超導(dǎo)精；

9、烤漆房專用超導(dǎo)精；

10、輸油管道加溫專用超導(dǎo)精；

11、高溫環(huán)境專用超導(dǎo)精；

12、防凍型專超導(dǎo)精；

13、工業(yè)方面專超導(dǎo)精；

14、根據(jù)用戶需要特殊用途超導(dǎo)液。2100433B

超導(dǎo)輸電是運(yùn)用超導(dǎo)體制作超導(dǎo)電線，從而把電力幾乎無損耗地輸送給用戶。

中文名稱

超導(dǎo)輸電

英文名稱

superconducting transmission

定　　義

以超導(dǎo)材料作為導(dǎo)體輸送電能的方式。

應(yīng)用學(xué)科

電力（一級學(xué)科），電力系統(tǒng)（二級學(xué)科）