CC BY
50
МОДЕЛИРОВАНИЕ ТЕПЛОФИЗИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ В ТОНКОПЛЁНОЧНОМ КОНВЕРТЕРЕ МИЛЛИМЕТРОВОГО ИЗЛУЧЕНИЯ В ИНФРАКРАСНОЕ С ЦЕЛЬЮ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ ВИЗУАЛИЗАТОРА МИЛЛИМЕТРОВОГО ИЗЛУЧЕНИЯ
Пётр Станиславович Загубисало
Филиал ИФП СО РАН «КТИПМ», 630090, Россия, г. Новосибирск, проспект акад. Лаврентьева, 2/1, младший научный сотрудник отдела тепловидения и телевидения, тел. +7 923 246 23 68, e-mail: peter.zagubisalo@gmail.com
Андрей Георгиевич Паулиш
Филиал ИФП СО РАН «КТИПМ», 630090, Россия, г. Новосибирск, проспект акад. Лаврентьева, 2/1, к.ф.-м.н., доцент, старший научный сотрудник отдела тепловидения и телевидения, тел. (+7 383) 316-59-10, e-mail: paulish63@ngs.ru
В докладе представлены результаты моделирования теплофизических процессов в болометрическом конвертере, преобразующем поток миллиметрового излучения в инфракрасное с использованием тонкопленочной металло-диэлектрической метаструктуры. Результаты моделирования использованы для расчета основных характеристик детектора пространственного распределения мощности миллиметрового излучения, в котором использован такой конвертер, с последующей регистрацией возникающего в нем теплового изображения с помощью инфракрасной камеры. Продемонстрирована эффективность конверсии мощности миллиметрового излучения свыше 80 %, что обеспечивает чувствительность визуализатора на уровне современных тепловизионных детекторов. Показано, что преобразование является линейным при реальных рабочих температурах конвертера. Обсуждается эффект расплывания изображения и способы уменьшения его влияния.
Ключевые слова: миллиметровое излучение, терагерцовое излучение, субтерагерцо-вое излучение, миллиметровое излучение, метаматериал, ультратонкий поглотитель, высо-коимпедансная поверхность, матричный приемник, болометрический детектор, теплофизическое моделирование, оптическая система считывания.
SIMULATION OF THE THERMAL PROCESSES IN THE THIN-FILM CONVERTER OF MILLIMETER RADIATION INTO INFRARED RADIATION FOR CAPABILITY CHECK OF MILLIMETER WAVES IMAGER
Peter S. Zagubisalo
Novosibirsk Branch of the Institute of Semiconductor Physics, Siberian Branch of Russian Academy of Sciences, «Technological Design Institute of Applied Microelectronics» (NB ISP SB RAS «TDIAM») 630090, Russia, Novosibirsk, 2/1, Lavrentiev avenue, junior researcher, department of thermal imaging and television, tel. +7 923 246 23 68, e-mail: peter.zagubisalo@gmail.com
Andrey G. Paulish
Novosibirsk Branch of the Institute of Semiconductor Physics, Siberian Branch of Russian Academy of Sciences, «Technological Design Institute of Applied Microelectronics» (NB ISP SB RAS «TDIAM») 630090, Russia, Novosibirsk, 2/1, Lavrentiev avenue, Dr., associate professor, senior researcher, department of thermal imaging and television, tel. (+7 383) 316-59-10, e-mail: paulish63@ngs.ru
The results of simulation of the main characteristics of millimeter radiation image detector are provided in this report. The simulation was made by means of numerical modeling of thermophysical processes in a millimeter-to-infrared converter. The detector is based on the converter and the infrared camera. The simulations show that the energy conversion efficiency is over 80 % that provides a high sensitivity of the detector and put it in line with the modern infrared detectors. The converter temperature is linear function of a millimeter radiation power at the operating temperatures of the converter. The blooming effect and ways of its reducing are also discussed.
Key words: terahertz radiation, subterahertz radiation, millimeter radiation, metamaterials, terahertz waves, high-impedance surface, ultra-thin absorber, focal plane array detector, bolometric detectors, thermodynamic modeling, optical readout system.
В последние годы ведутся активные разработки систем для получения изображений в диапазоне миллиметрового (ММ) электромагнитного излучения [1-3]. Данная область считается перспективной для ряда практических приложений, к которым можно отнести: системы безопасности, неразрушающий контроль качества материалов, неинвазивные биомедицинские диагностики. Перспективность использования данного излучения обеспечивается возможностью достижения более высокого, по сравнению с сантиметровым диапазоном, пространственного разрешения получаемого изображения и большей, по сравнению с инфракрасным (ИК) излучением, глубиной проникновения ММ-волн в исследуемые объекты.
В работах [4, 5] нами предложен простой и эффективный способ получения изображений в диапазоне ММ и ТГц волн в реальном времени, свободный от принципиальных ограничений на апертуру диагностируемого пучка излучения. Этот способ основан на конверсии излучения указанного диапазона в инфракрасное излучение. Конвертер «ММ-ИК» представляет собой тонкопленочную метаструктуру, резонансно поглощающую ММ-излучение с заданной длиной волны с коэффициентом поглощения близким к 100%, тепловой нагрев которой далее регистрируется высокочувствительной ИК камерой. Таким образом, пространственное распределение интенсивности падающего на конвертер ММ-излучения отображается в распределении интенсивности его теплового излучения. Ключевой особенностью поглощающей метаструктуры является малость ее толщины по сравнению с рабочей длиной волны ММ-излучения, что позволяет обеспечить низкую теплоемкость и, тем самым, высокую чувствительность и быстродействие болометрического детектора.
В настоящей работе проведено численное моделирование теплофизических процессов в «ММ-в-ИК» конвертере, в результате которого рассчитаны основные характеристики детектора ММ-излучения на основе конвертера и инфракрасной камеры.
Для расчета зависимостей характеристик конвертера от толщины слоя диэлектрика была рассмотрена радиально-симметричная модель конвертера. Конвертер был взят в виде круглой мембраны и находится в вакууме. Его диаметр равен 50 мм, основой конвертера является слой диэлектрика (в нашем случае плёнка полипропилена [4]). Миллиметровое излучение падает на конвертер со стороны поглотителя и полностью поглощается. С противоположной стороны
на диэлектрик нанесен слой алюминия толщиной 0.5 мкм и эмиссионный слой с коэффициентом серости 0.8. Конвертер освещается импульсом ММ-излучения диаметром 25 мм и длительностью 3 секунды с плотностью мощности в диапазоне от 0.3 Вт/м2 до 104 Вт/м2.
При расчёте учитывалась теплопроводность слоев конвертера и тепловое излучение со стороны эмиссионного слоя. Тепловое излучение со стороны падающего излучения не рассматривалось, принималось, что коэффициент серости данной поверхности равен нулю. Температура по периферии конвертера принималась фиксированной и равной 293.15 К. Начальная температура так же полагалась равной 293.15 К. Данные условия позволили составить дифференциальное уравнение с граничными условиями, которое решалось методом конечных элементов с помощью пакета COMSOL Multiphysics на временном отрезке от 0 до 20 секунд.
На рисунке 1 показаны зависимости максимального изменения температуры в центре конвертера и характерного времени отклика от толщины слоя полипропилена. Характерное время отклика (т) рассчитывалось из аппроксимации моделированных временных зависимостей нагревания и остывания функциями 1 - e -1/т и e -1/т, соответственно. Следует отметить, что моделированные временные зависимости достаточно хорошо описываются данными экспоненциальными функциями. Значения т для процессов нагревания и остывания совпадают.
Рис. 1. Зависимости максимального изменения температуры (ДТтах, К) в центре конвертера и характерного времени (т, с) от толщины диэлектрического слоя (Ирр, мкм)
Из рисунка видно, что характерное время отклика является линейной функцией толщины диэлектрика, что соответствует линейной зависимости от теплоёмкости диэлектрика. Из рисунка видно, что для обеспечения режима реального времени толщина диэлектрика должна быть менее 3 мкм (т менее 1 секунды). Зависимость ДТтах от толщины диэлектрика имеет нелинейный харак-
тер и насыщается при уменьшении толщины диэлектрика менее 3 мкм, что объясняется влиянием фиксированной толщины металлического слоя.
Зная величину АТтах конвертера и температурное разрешение ИК камеры (noise-equivalent temperature difference (NETD)), можно рассчитать зависимость минимальной обнаруживаемой плотности мощности от толщины диэлектрика, т.е. такую величину амплитуды плотности мощности миллиметрового излучения, которая вызывает изменение температуры конвертера равное NETD ИК камеры, в нашем случае на 40 мК. Эта зависимость с хорошей точностью является линейной при толщине диэлектрика более 5 мкм. При меньших толщинах диэлектрика зависимость насыщается из-за влияния фиксированного слоя металла. При толщине диэлектрика 3 мкм минимальная обнаруживаемая ампли-
Л
туда плотности мощности составила 0.25 Вт/м . Для сравнения с современными болометрическими ИК камерами можно рассчитать мощность на пиксель размером 15^15 мкм, что дает NEP = 5.6х10-11 Вт/пиксель. Полученная величина чувствительности детектора на основе конвертера и ИК камеры соответствует лучшим образцам современных болометрических детекторов.
Естественным вопросом для конвертера является эффективность конверсии (п), определяемая как отношение энергии теплового излучения (Eout) к падающей энергии миллиметрового излучения (Em). Для расчета эффективности конверсии использовались результаты моделирования в COMSOL Multiphysics. Величина п составила не менее 90% для толщин слоя диэлектрика от 3 до 20 мкм. Линейность преобразования составила более трех порядков от минимальной обнаруживаемой мощности.
Одной из важных характеристик матричного детектора изображения является эффект расплывания изображения (блюминг), обусловленный электрической или тепловой связью соседних пикселей, и характерен для матричных детекторов всех типов. В случае описываемого конвертера расплывание изображения обусловлено латеральной теплопроводностью вдоль структуры конвертера. Для уменьшения расплывания теплового поля конвертера были рассмотрены конвертеры со сквозными разрезами, не нарушающими целостности всей структуры. Разрезы имеют вид штриховых линий, расположенных на границах «условных» пикселей, формируя тем самым матричную структуру из реальных пикселей. Были рассмотрены разрезы разного типа, в зависимости от технологии их изготовления. Наиболее эффективными оказались разрезы, при которых алюминиевый слой разрезан на изолированные квадраты, а в полипропилене изготовлены сквозные разрезы в виде штриховых линий в промежутках между пикселями (рис. 2).
Рис. 2. Срезы пространственных распределений ДT для различных видов разрезов, проходящие через центр конвертера и параллельные стороне конвертера. Срезы нормированы в максимуме. По оси абсцисс - координата вдоль конвертера в метрах, по оси ординат - нормированное значение температуры (ДТ/ДТтах) в относительных единицах
В работе проведено моделирование теплофизических процессов в структуре конвертера ММ-излучения в инфракрасное, возникающих при освещении конвертера ММ-излучением, с целью определения характеристик детектора изображения на основе данного конвертера и инфракрасной камеры. Получен-
л
ные значения минимальной обнаруживаемой плотности мощности 0.25 Вт/м соответствуют лучшим современным болометрическим детекторам. Эффективность конверсии оказалась достаточно высокой - потери в конвертере при его оптимальной конфигурации не превышают 20%. Эффект расплывания изображения может быть существенно уменьшен изготовлением соответствующих разрезов в структуре конвертера.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Roger Appleby, Rupert N. Anderton, “Millimeter-Wave and Submillimeter-Wave Imaging for Security and Surveillance,” Proceedings of The IEEE, vol. 95, no. 8, pp. 1683-1690, 2007.
2. S. Oka, H. Togo, N. Kukutsu, and T. Nagatsuma, “Latest Trends in Millimeter-Wave Imaging Technology,” Progress In Electromagnetics Research Letters, Vol. 1, pp. 197-204, 2008.
3. D. Liu, U. Pfeiffer, J. Grzyb, B. Gaucher. Advanced millimeter-wave technologies: antennas, packaging and circuits. J. Wiley & Sons, 2009.
4. S. A. Kuznetsov, А. G. Paulish, A. V. Gelfand, P. A. Lazorskiy, V. N. Fedorinin. // Applied Physics Letters. - 2011. - Vol.99. - P.023501.
5. S. A. Kuznetsov, A. G. Paulish, A. V. Gelfand, P. A. Lazorskiy, V. N. Fedorinin, “Matrix structure of metamaterial absorbers for multispectral terahertz imaging,” Progress In Electromagnetics Research, vol. 122, pp. 93-103, 2012.
© П.С. Загубисало, А.Г. Паулиш, 2013
