CC BY
36
М. П. Миронов
канд. социол. наук, начальник Уральского института ГПС МЧС России
В. Ф. Дьяков
заместитель начальника Уральского института ГПС МЧС России по кадровой и воспитательной работе
В. Ф. Марков
д-р хим. наук, профессор, профессор Уральского государственного технического университета (УГТУ-УПИ)
Л. Н. Маскаева
д-р хим. наук, профессор, профессор Уральского института ГПС МЧС России
УДК 614.84:656.259
ВЫСОКОЧУВСТВИТЕЛЬНЫЕ БЫСТРОДЕЙСТВУЮЩИЕ ИК-ДЕТЕКТОРЫ ДЛЯ КОНТРОЛЯ ПЕРЕГРЕВА БУКС КОЛЕСНЫХ ПАР ПОДВИЖНОГО СОСТАВА ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОГО ТРАНСПОРТА
Предложено для контроля перегрева буксовых узлов колесных пар железнодорожного транспорта использовать разработанные быстродействующие ИК-детекторы на основе полупроводниковых пленок твердых растворов замещения в системе РЬЗе-БпБе. По сравнению с серийными болометрами они обладают большей вольтовой чувствительностью и постоянной времени 5-14 мкс, обеспечивая значительное повышение безопасности движения за счет эффективности и надежности температурного контроля.
Ключевые слова: ИК-детектор, контроль, железнодорожный транспорт, твердый раствор, безопасность.
Перегрев букс колесных пар подвижного состава является одной из основных причин аварийных ситуаций на железнодорожном транспорте, связанных с возможным изломом шеек осей. В этом случае сход подвижной единицы при транспортировке опасных грузов (сжиженных газов, горючих жидкостей) может привести к пожарам и взрывам. Способствует возгоранию и нагрев букс до высоких температур.
В настоящее время на российских железных дорогах для контроля температуры букс используются инфракрасные фотоприемные устройства, активным элементом в которых является болометр — неселективный приемник оптического излучения [1, 2]. Принцип его работы базируется на изменении электрического сопротивления термочувствительного элемента при нагревании вследствие поглощения направленного потока излучения. Болометр регистрирует мощность интегрального (суммарного) оптического потока. Термочувствительный элемент болометра представляет собой либо тонкий (0,1-1,0 мкм) слой металла (никель, висмут, золото), поверхность которого покрыта слоем "черни", либо полупроводникового материала (германий, оксиды никеля, марганца, кобальта). Современные болометры типа БП-2, БП-2м, БПК имеют порог чувствительности до 10-10 Вт/Гц1/2 при постоянной времени 2-3 мс и более.
Принципиальными недостатками болометрических чувствительных элементов являются их вы-
сокая инерционность и связанная с этим нелинейность амплитудно-частотной характеристики в рабочем диапазоне частот 10-1000 Гц, а также относительно низкие значения пороговой чувствительности [3]. Использование их в железнодорожных системах автоматики накладывает существенные ограничения на скорость движения поездных составов через линейные пункты контроля из-за зависимости амплитуды сигнала отклика от скорости поезда, что значительно снижает надежность выявления букс, нагретых выше допустимой температуры, на ходу поезда. В связи с этим большой интерес представляет разработка приборов температурного контроля буксовых узлов на основе селективных ИК-детекторов, работающих на принципе внутреннего фотоэффекта, с присущими им относительно малыми значениями постоянной времени. В частности, чрезвычайно перспективны в этом плане пленки твердых растворов замещения в системе се-ленид свинца - селенид олова (II). Перспективность данного полупроводникового материала для инфракрасной техники заключается в возникновении инверсии зон проводимости при формировании общей кристаллической решетки на основе селенида свинца, когда ионы олова (II) частично замещают в ней ионы свинца [4]. Это приводит к уменьшению ширины запрещенной зоны селенида свинца и, как следствие, сдвигу правой границы кривой спектральной чувствительности в длинноволновую область. Материал приобретает способность регист-
29
№Н 0869-7493 ПОЖАРОВЗРЫВОБЕЗОПАСНОСТЬ 2009 ТОМ 18 №2
рировать ИК-излучение относительно низкотемпературных источников.
В связи с вышеперечисленным целью настоящей работы являлось изготовление экспериментальных образцов детекторов ИК-излучения для использования в системах теплового контроля буксовых узлов колесных пар, исследование их основных фотоэлектрических характеристик и сравнение с серийно выпускаемым болометром БП-2м.
Авторами исследования разработана уникальная технология химического осаждения пленок твердого раствора в системе РЪ8е-8п8е с содержанием в нем олова до 9,2 мольных процентов [5].
Формирование полупроводниковых пленок проводилось на ситалловые подложки за счет осаждения селенидов свинца и олова (II) из реакционной смеси, состав которой был определен по результатам предварительного расчета ионных равновесий в системе и проведенных кинетических исследований взаимодействия солей свинца и олова с селено-карбамидом. Полученные слои подвергались термообработке, заданные условия которой позволяли их сенсибилизировать к ИК-излучению.
Следует сказать, что синтезированный таким образом полупроводниковый материал по своим спектральным и фотоэлектрическим характеристикам не имеет аналогов. Изготовленные на его основе экспериментальные образцы ИК-детекторов представляют собой одноэлементные фоторезисторы с размерами чувствительных элементов 1,0x1,0 и 2,0x2,0 мм, установленные на двухкаскадном термоэлектрическом охладителе (ТЭО). В качестве базового материала используются пленки твердого раствора 8п0062РЪ0388е. Применение ТЭО позволяет регулировать рабочую температуру чувствительного элемента от комнатной до минус 40 °С. С понижением температуры наблюдается резкий рост сигнала фотоотклика, который приближается к величинам, характерным для лучших известных детекторов излучения среднего ИК-диапазона. Измеренные значения постоянной времени разработанных детекторов составляют 5-14 мкс, что в сотни раз ниже аналогичного параметра для серийно выпускаемых болометров. Использование фоторезисторов 8пх РЪ1-Х 8е в системах теплового контроля буксовых узлов позволяет значительно улучшить амплитудно-частотную характеристику фотоприемных устройств, что создает возможность повышения скорости движения поездов через линейные пункты контроля до 300 км/ч. Для унификации фотоприемного устройства теплового контроля на основе нового детектора ИК-излучения предполагается его установка в капсулу серийно выпускаемого изделия "ДИСК-Б".
Защита от солнечной засветки для предотвращения ложных срабатываний обеспечена отсекаю-
щим коротковолновым фильтром на входном окне на 3,5 мкм. При необходимости устройство может быть снабжено дополнительным рабочим каналом на диапазон 0,5-1,0 мкм (кремниевый фотодиод) для блокирования ложных сигналов от посторонних источников и устранения помех от солнечных бликов.
Основные технические и эксплуатационные характеристики ИК-детектора приведены ниже:
Спектральный диапазон
чувствительности, мкм...................3,5-6,0
Размеры чувствительного элемента, мм........2x2
Вольтовая чувствительность, мВ/град..... 150-200
Обнаружительная способность,
смТц1/2/Вт...........................(2-3)-1010
Темновое сопротивление, кОм.............30-50
Рабочая температура на элементе, К....... 233-268
Стабилизация рабочей температуры
чувствительного элемента, град.............±0,15
Отношение сигнал/шум при АТ = 20 град.....40-45
Постоянная времени, мкс...................5-14
Полоса пропускания, Гц...............0,1-11300
Напряжение питания, В...................22-33
Потребляемая мощность, Вт..................6,0
На рис. 1 приведены спектральные характеристики фотодетекторов на основе 8пх РЪ1-Х 8е и РЪ8е. Видно, что правая граница спектральной чувствительности для пленки твердого раствора 8п0062РЪ09388е сместилась до 6,0 мкм, что на 1,5 мкм превышает данный показатель для индивидуального селенида свинца. Это позволяет использовать твердый раствор для детектирования более низкотемпературных источников излучения.
Зависимости фотосигнала ИК-детектора от разности температур источника излучения и окружающей среды для трех различных температур чувствительного элемента приведены на рис. 2. Видно, что снижение рабочей температуры датчика резко
3,5 4,0 4,5 X, мкм
Рис. 1. Кривые относительной спектральной чувствительности фотодетекторов на основе пленок РЪ8е (1), 8п0,057РЪ0,9438е (2 X 8п0,068РЪ0,9328е (3 )и8п0,062РЪ0,9388е (4 )
при температуре 300 К
30
0869-7493 ПОЖДРОВЗРЫВОБЕЗОПАСНОСТЬ 2009 ТОМ 18 №2
5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 Разность температур АТ, °С
Рис. 2. Зависимость фотосигнала ИК-детектора от разности температур источника излучения и окружающей среды при температурах режима работы чувствительного элемента: 1 — минус 40 °С; 2 — минус 20 °С; 3 — минус 5 °С. Температура окружающей среды равна 22 °С
ч 800 -
Рис. 3. Зависимость величины фотоотклика разработанного ИК-детектора (1) и болометра БП-2м (2) от температуры источника излучения при температуре окружающей среды 20 °С
повышает величину фотоотклика для одного и того же температурного перепада между источником излучения и окружающей средой, что позволит надежно фиксировать при температуре элемента минус 40 °С перепад даже в 1-2 град.
Сравнительные данные зависимости величины фотоотклика разработанного ИК-детектора и болометра БП-2м от температуры источника излучения показаны на рис. 3. Представленные результаты испытаний свидетельствуют о значительных преимуществах первого по рассматриваемому параметру. Так, при температуре источника 60 °С чувствительность быстродействующего ИК-детектора к тепловому излучению почти вчетверо выше, чем болометра БП-2м.
Оценивая технические и эксплуатационные характеристики экспериментального образца фоторезистора на основе 8пх РЪ1-Х 8е и серийного болометра БП-2м, следует отметить, что использование новой разработки в качестве детектора контроля температурного режима буксовых узлов колесных пар подвижного состава позволит значительно увеличить скорость движения составов на линейных пунктах контроля и повысить надежность контроля за счет более высокой чувствительности. Разработанный детектор имеет в 7-10 раз большее отношение сигнал/шум, в 160-200 раз меньшую постоянную времени по сравнению с применяемыми болометрическими приборами и по своим пороговым характеристикам не имеет известных аналогов.
Выводы
1. На основе полупроводниковой пленки в системе РЪ8е-8п8е разработаны и изготовлены быстродействующие детекторы ИК-излучения.
2. Разработанные фотодетекторы в сравнении с серийными болометрами БП-2 при более высокой чувствительности к ИК-излучению обладают на два порядка меньшей постоянной времени.
3. Использование ИК-детекторов 8пх РЪ1-Х 8е в системах контроля перегрева буксовых узлов колесных пар подвижного состава железнодорожного транспорта значительно повышает эффективность и надежность проводимого температурного контроля.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Трестман, Е. Е. Автоматизация контроля буксовых узлов в поездах / Е. Е. Трестман, С. Н. Лозинский, В. Л. Образцов. — М.: Транспорт, 1983. — 352 с.
2. Самодуров, В. И. Инфракрасные системы обнаружения перегретых букс / В. И. Самодуров. — Свердловск : УЭМИИЖ, 1980. — 59 с.
3. Козелкин, В. В. Основы инфракрасной техники / В. В. Козелкин, И. Ф. Усольцев. — М. : Машиностроение, 1985. — 204 с.
4. Абрикосов, Н. X. Полупроводниковые материалы на основе соединений А|УВУ| / Н. X. Абрикосов, Л. Е. Шелимова. — М. : Наука, 1975. — 196 с.
5. Третьякова, Н. А. Гидрохимический синтез и свойства пленок твердых растворов Бпх РЬ1-Х Бе / Н. А. Третьякова, В. Ф. Марков, М. П. Миронов [и др.] // Химия и хим. технология. — 2008. — Т. 51, № 7. — С. 37-40.
Материал поступил в редакцию 16.03.09.
© Миронов М. П., Дьяков В. Ф., Марков В. Ф., Маскаева Л. Н., 2009 г.
(тел.: +7 (343) 360-80-01, 377-04-60).
0869-7493 ПОЖАРОВЗРЫВОБЕЗОПАСНОСТЬ 2009 ТОМ 18 №2
31
