Способ определения коэффициента поглощения твердых слабопоглощающих сильнорассеивающих материалов
Изобретение относится к технической физике и связано с исследованием оптических свойств твердых слабопоглощающих сильнорассеивающих материалов. Цель изобретения - повышение точности измерений. Предлагаемый способ решает задачу для случая, когда используются экспериментальные данные для пропускательной способности набора разнотолщинных образцов. В способе предлагается проводить измерения пропускательной способности, открыв оптимальным образом часть боковой цилиндрической поверхности образца, что значительно увеличивает информативность эксперимента относительно коэффициента поглощения и его достоверность. Даны соотношения, из которых находят оптимальные значения толщин образца и оправки, а также соотношение, по которому определяют значение коэффициента поглощения. 2 ил.
СО((33 СОВЕ }; (Х
=ОЦИАЛИСТ, .Е жИХ
РЕСПУБЛИН
„„SU„„1567937 А 1 (51):) (з 01 N 21 59
ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
К А ВТОРСКОМУ СВИДЕТ ЕЛЬСТВУ
ГОСУДАРСТВЕННЬ)Й }.(ОМИТЕТ
ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ !1 0 КРЬ)ТИЯм
ПРИ ГКНТ СССР (21) 4469220,> 31-,> (22) 26 07.88 (46) )О ()5 90 Бк)„-1 х<о 20 (71) Институт вы(оких температур AII СС(,Р 72) (.. С. Мои<(ев. В. A. Гlетров и (.. В. (.тепанов (5;) ) 535.24 (г)88.8 ) (: 41 (ПОСОБ ОПРЕ",!.ЛЕНИЛ YГ).-)Ф:)И—
ЦИЕНТА Г1ОГЛОШЕН ИЯ ТВЕРДЫХ (. „ I АБОПОГЛ ОII}Л }ОШИХ СИ 1 ЬНОР>А .Г.l. ИВЛЮШИХ МАТ}:.РИЛ.Г}ОВ (57) И:3обр«тени« <>тносится к >схнич(ской физик(1 < вязано (исс;.(3<)R>(<нем
Цель изоГ)ретения — повышение точ ности измерений коэффициента поглощения твердых слабопоглошаю>циx сильнора(сеиваю(цих материалов.
На фиГ 1 представлена схем;- устр<)йства лля осуществления способа; на фиг. 2 расположение образца в оправе.
Устройство содержит источник колли мированного излучения, модул.пор 2, интегрирующую сферу ), экран (ог<ра13х ) 4, в котором расположен и следуемый образец
5 (или эталон lrpoiiускания), приемник 6 излучения, защищенный шторкой 7 от прямого попадания пропущенного через образец или э. алон излучения, у илитель 8 и вторичный прибор 9.
Для широкого класса полупрозрачных материалов, таких как прессованные порошки, к«рамчка, молочны(стекла, в области прозрачности коэффици >ITI I по>лощения
:IHH. I1редлагаемый способ реша T задачу для «лучин, ко.-да и. пользуются экспериментальные данные д.lя пропускательной способност . набора разнотолщинных образцов.
В «посо"с предлагается проводигь измерения пропускательной с:Гособности, открыв ollти м;>льны м образом часть бо);овой цили ндрической поверхности образца, что значитг «»i<) увеличиваеr информативность экспери<> (Hl а относительно коэффициента погло>ц«ния и его достоверность. Даны соотноlllc Hèÿ, из которых находят оптимальные
3 l «. 1: Ioëùèí образl B и оправки, а т» к)кг. с отно п(ение, по которому определив н>т з),1÷åí è« коэф фи ц(3ен та поглощен и я.
К<1 диффузи<1 излучения D малы и не превыlllBIoT (3«л>1 ll
При так>1; значениях }(, H D получение пост<>в«рны,;(зу.ll атон для величиныы К в 1>(эх льта г«р«,lення o6рàTilои
-1, . тач>1 на основ(изм«ренных радиационных характ«ристик B зависимости от тол(пины ра сеивающего слоя является черезвычайно сл(жной задач«й. Так как отражательная с(ц собность слабо зависит как от К, так и .)т D, 3B,(ача определения последних становится и:1 )) обусловленной. Использовать р«зуль-аты измерения спектральной изл, >(<т< льпой сп()обности при темп(ратурах ниH((1()(> К lip, кгич«ки нег(зможно, и<к к(>.>ьку 1>з-зз и " и инт«и«явности планK o B(K < ) l () и 3 л м ч (н н я ч о Г p(1и и о(. т ь в и 3 м (. p рниях В«.1ика !! >эг:му единственной возможносг»ю получения информации о величин(К в т:3ких м.гериалах явля«,(H
>,амер(-ние,;рг>пускательных характеристик.
До«тат<>ч>,>я инф >1 <(ативн(сть эксг «ри мента отн<>. HT» . >II(> B(личи )ы К при изм«ренин llpol с; 1«<ьн>.>х «1>о;оГ 1;>стей набор;1 раЗН<)ГОЛщн)пыХ ОбраэцОВ МржЕт бЫтЬ дОСти н} Га пр) ус 1(>BHH }I — 1}1 толщина
1567937
10
ri=ã>=ã» =0,5
55 образцов, == i K/D — коэффициент затухания) . Отсюда следует, что для материалов с коэффициентом затухания -2 см и даже большими значениями при ограниченном радиусе образца существенная часть излучения будет выходить из боковой поверхности образца.
Г!усть в центр торца цилиндрического образца радиуса р» и толщиной Н падает нормально к этому торцу луч радиуса р..
Назовем часть потока (по отношению к падающему) излучения, вышедшего через противоположный (выходной) торец цилиндрического образца торцовой, пропускательной способностью Р, а часть потока, вышедшего через боковую нове хность цилиндра, — — боковой пропускательной способностью Р .. Величины Р « и Р ..l могут быть рассчитаны из решения уровнения диффузии для объемной плотности энергии излучения в цилиндре. При ограниченном радиусе образца вследствие размытия пучка существенно уменыпаются полезные потоки пропущенного излучения через выходной торец и увеличиваются потоки через боковую поверхность. Для увеличения информативности эксперимента относительно коэффициента поглощения необходимо открывать боковую поверхность образца оптимальным образом.
Способ осуществляют следующим образом.
Цилиндрический образец радиусом р и толщиной H ) располагают в оправе во входном отверстии интегрирующей сферы 3
Боковая поверхность образца полностью находится в контакте с внутренней боковой поверхностью оправы, причем обращенные в сферу торцы образца и оправы находятся заподлицо с внутренней поверхностью сферы. Для большей информативности эксперимента относительно К толщину образца выбирают максимально большой, но такой, чтобы величина пропускательной способности Р ..i была примерно на два (о) порядка болыпе пороговой чувствительности измерений (когда полезный сигнал равен шучу).
Зная радиусы образца (. и падающего пучка (ь., толщину образца Н, а также используя предварительно имеющуюся информацию о коэффициенте диффузии излучения D, показателе преломления исследуемого материала и и двуполусферических коэффициентах отражения границ r, (l=
= l,2), г,.„ (роль последних асичптотически чала), рассчитывают коэффициент поглощения К материала из уравнения
P n(H, K )=1,p, (о) ° > (о) lO) гд Р (Н, К ) определяется выражением, приведенным в формуле изобретения.
Из у казан ных в формуле изобретения условий определяют значения толщины дополнительного образца и высоту оправки
Н-р для этого образца. Производят измерение нормально-полусферической пропускательной способности нового образца, открыв его боковую поверхность на расстояние
Й= H — Н., при этом вся выступающая из оправки часть образца находится внутри интегрирующей сферы. Рассчитывают окончательную величину К, решая приведенное в формуле изобретения уравнение.
Пример осуществления способа.
Способ может быть использован для слабопоглощающих сильнорассеивающих матепиалов п и выполнении условий
- К D((1 и „К/D H l.
Пусть на длине волны 0,63 мкм необходимо провести исследование оптических свойств сильнорассеивающей слабопоглг.щакнцей керамики, полученной спеканием из порошка чистого оксида алюминии.
Пористость керамики 88Я, показатель преломления оксида алюминия на этой длине волны п=1,765. Полагаем, что значение коэффициента диффузии излучения D полу чено из предварительных экспериментов и равно 1 10 см.
Значения двуполусферических коэффициентов отражения от внутренних гранин образца rl, г. и г ° могут быть вычислены приближенно по достаточно грубой модели, так как в диффузионном пределе их величина слабо влияет на радиационные характеристики. В результате расчета по.чучено
Измерения нормально-полусферической пропускательной способности образцов проводят на установке, основными элементами которой являются интегрирующая сфера с внутренним радиусом 100 мм, а источник излучения — гелий-неоновый лазер.
Г!ороговая чувствительность экспериментальной установки имеет значение P"==
=5 10
Радиус луча источника излучения р.=
=О,! см. Образец радиусом р.=1,5 см разчещают в оправке так, что боковая поверхность образца полностью находится в контакте с внутренней поверхностью
on ðà âêè. On р а вку вставляют во входное окно интегрирующей сферы так, что торцовые поверхности образца и оправки были бы заподлицо с внутренней поверхностью интегрирующей сферы. Лля большей инфс рмативности эксперимента отног .тельно параметра К толщину образца Н желательн, выбирать настолько больш й. "тобы вел чина пропускательной спо ог>«и TH была два порядка больше порп. . и чувствя;е.;.
1567(13
Форму.>а u»oop(>(>(uл
P,(H К)<-Р«,.(Н и, К)=-Р
Р (Н y) ЗМ0 q Се фт>
1тт Х р (Н Н y,) = и — ((1 + h,)ехр(-, Н.; 2 -ехр(1 >() or o !
П I
+ (1 — h )> exp (Н,„р — 2 )„,Н)1;
Т„(хр,/1>. ) /I< (х.,) (1 + ) хп>/тр ) И1 +т13 "(+ Y > ) (1 — >1„(з, ) (1 — ((з ) ехр (-21„,Н) (g + а / 2)е>
4 = 2D((+T«)/(1 — г .>.
h,=2D(l+T,)/(1 — -г,), i=- l, 2;
55 ности х(становки. Величина толщины образца Н определяется экспериментально из условия Р-р (Н(> ) — P, где Р. р(Н ) )— нормально-полусферическая пропускательная способность образца толщиной Н" радиуса р.. Полученные в эксперименте данные P oI=7 10 при толщине H" =
=0,69 см используют решения уравнения
Ртор (Н, К,) =Р т<>р.
О (0)
Расчет дает значение К =4. 10 см
Из условий, приведенных в формуле изобретения, определяют значения толщины
H=1,93 см и высоты оправки Н р=0,16 см.
На следующем этапе изготавливак)т обрат(н B виде !11(инд1>з т(:1> гой 11»1,"3 и раIH, IIt1 (I, I, 1 о Л т1 1 . 1 к) T о
l3 (>11PiI iI I,Ih, 1 1ОО>е(I! i> t I 1 t » I. 1 >I.I Ht t
H;i р»сс>ояние Н=-H Н« =-1,77 см.
Оправку размещают во входном отверсгии сферы так, чтобы торцовая поверхность оправки была заподлицо с внутренней поверхностью сферы, » образец выступал за топец оправки внутрь сферы
На расстояние Н. Экспериментальное значение нормально-полусферической пропускательной способности составило Р
= 6,99 ° 10 . Точное значение К определяют, решая уравнение
P-р (К) + Po- (К) =Р
Получено значение К=З. 10 см
Численные расчеты величин дают величину отношения погрешностей предложенного и известного способов. равную 0,3775.
Таким образом, как видно из расчета и как показываки сравнительные испытания, при одном и том же уровне измеряемой нормально-полусферической способности точность предложенного способа изимерений коэффициента поглощения выц>е, чем точность прототипа в 2,61 раза. — — х> К/D — коэффициент затухания; п — показатель преломления материала;
Способ определения коэффициента погло1цения твердых слабопоглс щаю(цих сильно5 рассеивающих материалов, заключающийся в том, что направляют излучение на входную торцовую поверки(>сть образца, выпол(ю> ьенного в виде цилиндра высотой 11 причем боковая (юверхность IIHëHHëpü у тановлена в оптическом конт(>кт(с 1(оглощающим экрано,1, регистрирук>т излучение, вышедшее через 13ыходнук> торцонук)
llOBE pXHOCTb т>браэца. Bbltiii(.IИ .>т: 11рОпуск»тельную снос(к) ность Р (>бра,ца и рассчитывак>т коэффициент llo глощения К матери»1ii, причем исследхемый матери»,". и ToëIHHHB образца Ц у:тонпетнорянтт еош, опоенное >KD(l. т KjD. Н вЂ” (, тяе (> нз<ттффнппепт диффузии излучения в обр»з>ц, от iu«(i>(>yp .е(пней>т ГЕМ, HTO, C Iit I BIO ности 1 змерен и й, допол интел ьн(на 11 ра в, I я к>т излучен>1 на входную торцовук) II()Bepxli()CTI образца, выполненного в виде цилиндра высотой Н, причем часть его боковой поверхности высотой Н (Н I (111, от
25 считываемой от входной торцовой п(>вор ности, установлена в оптическом контакте с поглощакиц им экран(>м, рс гистри рук)т одновременно излучение, выше,111>ее чадре,i
ВЫХОеПIVIO TOPIIOBVIO ПОВ(РХНО ТЬ И НЕЭКРа30 пир" 3" 111(ую " 1 (б)оково" 11о>3 ()хно(" разца, вычисляют суммарнук> пропуск»те.>ьную способность Р образца, B коэффициент >п)глощения K рассчитывак)т из уравнения г и г . — днуполусферические коэффициенты 13»xTp(>ннего огражения I р„>(иц "..IH BX().lH(>11 торцовои Ilolit () х ности 1!т = 1 ), выХ О 1 >(О(TI > I > (r BO 11 I IO 13t P X H Ot T H (1= 2) H |)() KOBOH II()B(. pXHOt TH
Образца (.оотв(:тств(и;1О; — корень х.:>рактеристического уравнения
1 567937!
)Заг >
1 г 2 (и>»»i H>i >«.о В Кад»ии и
Т» р«д И. Верес Е ор ректор А. Оо руч ар
Типаж 5!О Подписное
» ни it, »„,>ит>. I II(> и i »>р«». ииич и»ткр»>таим при ГКНТ сс:1;Р .Ч> ">,t>;> К:3;>, Р;» t!t»>;»> иа!>., д. 4, 5
I!Ii ii i: > «;.,> » i > iii.ii > i>}t кii >t>>t>> ii «II iii »t « i Уж»>прод. >2 I. Гагарииа, 101
Р»>акт»р >4 Кс.ii M»iii .3i> t;> > I .31
13!11111111! I >,,>,и»! >(х} и 1 (х) — фуп«ци; Бесселя í) "«ного и пер,0, > порядка соответсг венно,Р— радиус пучка, падаюше!о на обр;1зец излучения;
<и> - - ради.> образца, при!с > р;! меры H и 1» образца предвари
ГС 1Ь1>О О11РЕДЕЛЯЮТ ИЗ > «.1ОВИЙ
1»»» „>и — ((ор(Н, К >) +Рс»»>(Н, Но»р, К<>)) Э
Р -1»-» К )+Ps (Н, Н-р, К.) = Р, где К значение коэффициента поглощения, рассчитанное по величине
>ор, Р4 — минимальное значение пропускательной способности, при котором случайная ошибка, обусловленная шумами измерительной схемы, соизмерима с погрешностью измерений.
