Фотоприемное устройство для измерения энергетических параметров вакуумного ультрафиолетового излучения

Изобретение относится к области энергетической фотометрии и касается фотоприемного устройства для измерения энергетических параметров вакуумного ультрафиолетового излучения. Фотоприемное устройство содержит фотометрический блок, размещенный в вакуумированном объеме, блок регистрирующей системы, размещенный вне вакуумированного объема, и вакуумный токоввод, предназначенный для электрического соединения блоков фотоприемного устройства. Чувствительным элементом фотометрического блока служит полостной калориметрический приемник излучения. Поглощающая нагрузка чувствительного элемента, выполненная в виде замкнутой полости с отверстием для ввода излучения, изготовлена из металла с высокой теплопроводностью. Технический результат заключается в повышении точности измерений, а также в уменьшении габаритов, повышении помехозащищенности и в упрощении методики градуировки фотоприемного устройства. 3 ил.

 

Изобретение относится к области энергетической фотометрии (радиометрии) и может быть использовано при измерении мощности и энергии излучения оптических систем, работающих в вакуумной ультрафиолетовой области спектра (далее по тексту ВУФ-область, ВУФ-излучение и т.п.).

ВУФ-излучение в силу своих физических особенностей является одним из самых эффективных по своему воздействию на вещество по сравнению с любым другим диапазоном спектра электромагнитного излучения. Это уникальное свойство ВУФ-излучения ставит его вне конкуренции, например, в технике оптической фотолитографии [1], где малая длина волны (10-200 нм) воздействующего излучения позволяет преодолеть «нанобарьер» пространственного разрешения (менее 100 нм) при формировании фотолитографических масок в производстве современных интегральных схем.

Практически любое научное или технологическое применение ВУФ-излучения требует измерения его энергетических параметров - мощности (в непрерывном режиме излучения) или энергии (при импульсном воздействии). Однако, корректное измерение этих параметров в ВУФ-области спектра является достаточно сложной научно-технической задачей, не нашедшей до настоящего времени удовлетворительного решения.

О фундаментальных трудностях, возникающих здесь, говорит, например, тот факт, что до настоящего времени не предложено ни одного фотоприемного устройства для измерения энергетических параметров ВУФ-излучения, основанного на использовании широко распространенных фотоприемников с внешним фотоэффектом - фотоэлементов или фотоумножителей. Последнее обусловлено тем, что, несмотря на существование эффективных в ВУФ-области фотокатодов, до настоящего времени для изготовления колб и окон фотоприемников не найдены материалы, обладающие необходимой прозрачностью в спектральной области короче 100 нм и совместимые с современными технологиями электровакуумного производства. Трудности энергетических измерений многократно возрастают при фотометрировании источников стимулированного ВУФ-излучения высокой спектральной энергетической плотности, получивших в последнее время широкое распространение [2].

Таким образом, измерение энергетических параметров излучения в ВУФ-области спектра является достаточно сложной технической задачей, не нашедшей до настоящего времени удовлетворительного технического решения.

Так, в частности, известна методика теоретического расчета энергетических параметров излучения в ВУФ-области спектра [3]. Расчет основан на теоретических оценках, учитывающих фундаментальные константы излучающей среды - заселенность возбужденных состояний ее атомов, вероятность радиационных переходов атомов, а также геометрические и конструктивные размеры излучателя.

Недостаток теоретического расчета энергетических параметров ВУФ-излучения состоит в том, что каждая из перечисленных величин известна, как правило, с большой погрешностью (от десятков процентов до порядков величины), что не позволяет определить энергетические параметры излучения с приемлемой для практического применения точностью.

Известно также фотоприемное устройство (ФПУ) для измерения энергетических параметров ВУФ-излучения. В его состав (см.рис.1) входит фотометрический блок (ФБ) 4 и источник ВУФ-излучения 2, размещенные в вакуумированном объеме 1, регистрирующая система (PC) 5, на табло которой отображаются результаты измерений (мощность или энергия излучения), и источник питания (ИП) 6, размещенные вне вакуумированного объема 1.

Для передачи сигнала измерительной информации от фотометрического блока 4, размещенного в вакуумированном объеме 1, к регистрирующей системе 5, а также для подачи напряжения питания от источника 6 к фотометрическому блоку 4 служит вакуумный токоввод (ВТ) 7.

Чувствительным элементом фотометрического блока 4 описанного ФПУ служит полупроводниковый приемник излучения на основе внутреннего фотоэффекта - фотодиод. Спектральная чувствительность фотодиодов, в отличие от приемников с внешним фотоэффектом (фотоэлементов и фотоумножителей) не ограничена наличием колбы или входного окна и определяется только фотоэлектрическими свойствами используемой полупроводниковой структуры. Благодаря этому такие приемники обладают высокой чувствительностью в ВУФ-области спектра и имеют небольшие габариты, что позволяет легко встраивать их в вакуумные системы.

По технической сущности фотоприемное устройство для измерения энергетических параметров ВУФ-излучения, включающее фотометрический блок, чувствительным элементом которого служит полупроводниковый приемник излучения, является прототипом предлагаемого изобретения.

К недостаткам фотоприемного устройства-прототипа относятся:

1 - недостаточная оптическая прочность (низкий порог разрушения) материала приемной площадки полупроводникового приемника, особенно заметные при фотометрировании источников стимулированного [4] ВУФ-излучения. В связи с этим во избежание разрушения фотоприемника требуется применение ослабителей излучения, направляемого на его приемную площадку. Однако в настоящее время отсутствуют оптические материалы, пригодные для калиброванного ослабления ВУФ-излучения с надежно аттестованными в этой области фотометрическими параметрами - коэффициентами пропускания, поглощения, отражения.

Необходимость применения таких ослабителей существенно уменьшает точность измерения энергетических параметров ВУФ-излучения с помощью ФПУ с фотометрическим блоком, чувствительным элементом которого служит полупроводниковый приемник излучения.

2 - для обеспечения измерений в широком динамическом диапазоне изменений энергетических параметров излучения необходимо использование полупроводникового приемника в фотодиодном режиме включения. Реализация такого режима работы фотоприемника требует применения источника питания [5], что увеличивает габариты ФПУ и, кроме того, из-за наличия в составе ФПУ помимо канала передачи измерительной информации еще и электрической цепи питания фотоприемника, существенно ухудшается помехозащищенность ФПУ от воздействия электрических и магнитных полей (наводок), сопровождающих мощный газовый разряд ВУФ-излучателей.

Низкая помехозащищенность ФПУ с фотометрическим блоком, чувствительным элементом которого служит полупроводниковый приемник излучения, приводит к увеличению разброса показаний регистрирующей системы и, как следствие, к увеличению случайной составляющей (среднеквадратического отклонения - СКО) погрешности измерений энергетических параметров излучения.

3 - значительные трудности (временные и аппаратурные) при градуировке ФПУ с полупроводниковым приемником ВУФ-излучения, т.к. в этой спектральной области отсутствуют образцовые источники излучения, аттестованные в абсолютных значениях энергетических параметров излучения (Вт, Дж), и приемники излучения, аттестованные в абсолютных значениях вольтовой или токовой чувствительности. Кроме того, градуировка полупроводниковых приемников излучения в ВУФ-области требует использования громоздкого и сложного в эксплуатации вакуумного оборудования ВУФ-излучателя, что сопряжено с большими временными затратами.

абсолютных значениях вольтовой или токовой чувствительности. Кроме того, градуировка полупроводниковых приемников излучения в ВУФ-области требует использования громоздкого и сложного в эксплуатации вакуумного оборудования ВУФ-излучателя, что сопряжено с большими временными затратами.

Целью предлагаемого изобретения является повышение точности ФПУ, предназначенных для измерения энергетических параметров ВУФ-излучения, уменьшение габаритов ФПУ, повышение его помехозащищенности от электромагнитных полей (наводок), упрощение методики градуировки ФПУ и сокращение трудоемкости и времени выполнения градуировки.

Поставленная цель достигается тем, что в фотоприемном устройстве для измерения энергетических параметров ВУФ-излучения, включающем фотометрический блок, размещенный в вакуумированном объеме, блок регистрирующей системы, размещенный вне вакуумированного объема и вакуумный токоввод, предназначенный для электрического соединения блоков ФПУ, чувствительный элемент фотометрического блока выполнен в виде полостного колориметрического приемника излучения, поглощающей нагрузкой которого служит замкнутая полость с отверстием для ввода излучения, изготовленная из металла с высокой теплопроводностью.

Устройство чувствительного элемента калориметрического приемника излучения фотометрического блока заявленного ФПУ представлено на рис.2, где 8 - фотометрируемое излучение, 9 - входное отверстие полости 10, 11 - металлическая масса, 12 - выводы термобатареи, 13 - «горячие» спаи термопар, 14 - «холодные» спаи термопар.

Поток фотометрируемого излучения 8, направляемый в фотометрический блок, через входное отверстие 9 поступает в замкнутую полость 10, которая служит поглощающей нагрузкой чувствительного элемента калориметрического приемника фотометрического блока ФПУ. Благодаря многократным отражениям внутри полости 10 электромагнитная энергия измеряемого излучения практически полностью преобразуется в тепловую энергию. Возникающий за счет этого нагрев полости 10 регистрируется батареей последовательно соединенных термопар, охватывающей наружную поверхность полости. «Горячие» спаи термопар 13 находятся в тепловом контакте с наружной поверхностью полости 10, а «холодные» 14 контактируют с металлической массой 11, обладающей высокой теплоемкостью. Электродвижущая сила (ЭДС), развиваемая термобатареей, пропорциональная мощности (энергии) измеряемого светового потока, через выводы 12 подается на токоввод 7 (см.рис.1) и поступает на вход регистрирующей системы (PC), на индикаторной панели которой отображаются результаты измерений.

Предложенное техническое решение обеспечивает следующие преимущества заявляемого устройства по сравнению с устройством-прототипом:

1. Существенно (на несколько порядков) более высокая, чем у приемной площадки полупроводникового фотоприемника устройства-прототипа, оптическая прочность (порог разрушения) материала чувствительного элемента (металла). Благодаря этому градуировка и применение заявленного устройства не требует калиброванных ослабителей для защиты чувствительного элемента ФПУ от оптического разрушения, а отсутствие необходимости в таких светофильтрах существенно повышает точность измерения энергетических параметров ВУФ-излучения заявленным устройством по сравнению с устройством-прототипом.

2. Используемый в заявленном устройстве полостной калориметрический приемник излучения в отличие от приемника излучения устройства-прототипа - полупроводникового фотодиода не требует для своего функционирования источника питания. Благодаря этому предложенное техническое решение позволяет уменьшить габариты ФПУ, а отсутствие цепи питания фотоприемника существенно увеличивает помехозащищенность ФПУ от воздействия электрических и магнитных полей.

3. Предложенный в заявленном устройстве полостной приемник излучения фотометрического блока ФПУ по сущности взаимодействия с принимаемьм излучением является классической моделью абсолютно черного тела. Благодаря такому техническому решению реализуется возможность построения фотоприемного устройства, мало селективного в широкой области спектра (в т.ч. и в ВУФ-области). Коэффициент поглощения излучения в приемнике излучения такого ФПУ в широкой спектральной области практически не зависит от длины волны воспринимаемого излучения, поэтому градуировка заявленного ФПУ может осуществляться в видимой области спектра, для которой широко представлены образцовые средства измерений энергетических параметров излучения, существуют аттестованные источники излучения и отработанные методики аттестации фотометрической аппаратуры (см. напр. ГОСТ 8.275-2007). Значение чувствительности заявленного ФПУ, измеренное при градуировке в видимой области спектра, благодаря неселективности ФПУ в широком спектральном интервале, можно без существенной погрешности распространить на спектральную область ВУФ-излучения. Вследствие этого аттестация заявленного ФПУ кардинально упрощается по сравнению с аттестацией прототипа.

Таким образом, заявленное техническое решение «Фотоприемное устройство для измерения энергетических параметров вакуумного ультрафиолетового излучения» обладает существенными преимуществами и новизной по отношению к устройству-прототипу.

При практической реализации заявленного устройства могут быть использваны следующие технические решения.

Поглощающая полость калориметрического приемника излучения может быть изготовлена в виде тела вращения (сферы, эллипсоида, конуса и т.п.) из металла, обладающего высокой теплопроводностью, например, меди, латуни, алюминия. Для изготовления термобатареи могут быть использованы последовательно соединенные термопары медь-константан.

Был испытан опытный образец фотоприемного устройства, изготовленный в соответствии с предлагаемым техническим решением. Поглощающей нагрузкой калориметрического приемника излучения фотометрического блока опытного образца ФПУ служила коническая полость, изготовленная из меди; диаметр входного отверстия полости равнялся 13 мм, длина - 42 мм. На наружной поверхности конуса размещались «горячие» спаи термобатареи, состоящей из 1800 медно-константановых термопар. «Холодные» спаи термопар соприкасались с внутренней конической расточкой в массивном алюминиевом цилиндре с наружным диаметром 40 мм и длиной 80 мм.

В качестве регистрирующей системы изготовленного опытного образца ФПУ использовался комбинированный прибор Щ 300, диапазон измерений которого в режиме вольтметра, равный (10-3-102) В, позволял надежно регистрировать сигналы в цепи приемника излучения с относительной погрешностью не более ±2%.

Градуировка опытного образца ФПУ выполнялась в видимой области спектра на длине волны 633 нм на фотометрической установке, источником излучения которой служил стабилизированный по мощности излучения гелий-неоновый лазер марки ЛГИ-207Б. Мощность излучения лазера составляла ~1 мВт, флуктуации мощности за время измерений не превышали ±0,5%.

Измерения мощности потока излучения, направляемого при градуировке в фотометрический блок опытного образца заявленного ФПУ, проводились с помощью прибора марки LM-2 (производство фирмы COHERENT, США), относительная погрешность градуировки опытного образца заявленного ФПУ при доверительной вероятности р=0,95 оценивается значением 8=±10%. Продолжительность процесса градуировки опытного образца заявленного ФПУ составила всего 15 мин, тогда как градуировка ФПУ-прототипа с полупроводниковым фотоприемником на установке с источником ВУФ-излучения потребовала нескольких часов (вывод на рабочий режим вакуумных систем источника излучения, подготовка и тестирование высоковольтного оборудования цепи питания газового разряда и т.п.).

Испытания проградуированного опытного образца ФПУ проводились на установке, источником стимулированного ВУФ-излучения которой служил капиллярный разряд постоянного тока в смеси криптона и ксенона, заключенный в кварцевую трубку длиной 600 мм. Внутренний диаметр трубки составлял 1,5 мм, ток разряда через газовую смесь равнялся 20 мА, длина волны излучения - 147,0 нм.

Испытания состояли из двух циклов измерений мощности излучения капиллярного разряда. Первый цикл выполнялся с помощью ФПУ устройства-прототипа с полупроводниковым приемником излучения типа SXUV20 (производство фирмы IRD, США). Второй - с помощью опытного образца ФПУ, изготовленного в соответствии с предлагаемым техническим решением.

Каждый цикл измерений состоял из n=15 измерений; интервалы между отдельными измерениями равнялись 2,5 мин. В процессе испытаний тщательно контролировались и поддерживались неизменными состав и параметры газовой среды капилляра и электрические параметры капиллярного разряда - напряжение на электродах разрядного промежутка и ток разряда. Результаты испытаний приведены на рис.3, где по оси ординат отложены относительные значения р мощности излучения, измеренные испытанными ФПУ, рассчитанные как р=Pn/Pi, где Pi - значение мощности ВУФ-излучения, полученное при первом измерении, Рп - значения, полученные в каждом из последующих 14 измерений. На рис.3: 1 - изменение показаний опытного образца заявленного устройства, 2 - изменение показаний устройства-прототипа.

15 - изменение показаний опытного образца заявленного устройства, 16 - изменение показаний устройства-прототипа.

Из приведенного рисунка видно (см.кривую 15), что в серии измерений, выполненных опытным образцом заявленного устройства, отсутствует систематическое изменение показаний, а их разброс, оцениваемый значением СКО=±7%, имеет случайный характер. Следовательно, фотоприемное устройство, изготовленное в соответствии с заявленным техническим решением, обладает стабильной чувствительностью к оптическому излучению ВУФ-области, а фотометрический блок ФПУ, его регистрирующая система и цепь передачи измерительной информации не подвержены влиянию электромагнитных «наводок», сопровождающих работу излучателя.

С другой стороны, кривая 16 рис.3 убедительно указывает на неуклонное (до 20 раз к концу цикла) падение чувствительности устройства-прототипа с полупроводниковым приемником излучения. Чрезвычайно высокий разброс показаний (в этом случае значение СКО достигало±32%) указывает на сильную подверженность устройства-прототипа воздействию электромагнитных полей (наводок), сопровождающих работу ВУФ-излучателя. Это обстоятельство, а также отмеченное выше систематическое изменение чувствительности, делают невозможным построение ФПУ с полупроводниковым фотоприемником, имеющего достаточно высокую (погрешность в пределах ±(10-15)%) точность измерения энергетических параметров ВУФ-излучения, в то время, как заявленное устройство высокой точностью обладает.

Таким образом, результаты градуировки опытного образца заявленного ФПУ, а также результаты его экспериментальных испытаний совместно с устройством-прототипом показали, что по отношению к объекту-прототипу заявленное техническое решение «Фотоприемное устройство для измерения энергетических параметров вакуумного ультрафиолетового излучения» имеет существенные преимущества и новизну, заключающиеся в мехозащищенности от воздействия электромагнитных полей (наводок), сопровождающих работу фотометрируемых ВУФ-излучателей, в кардинальном упрощении методики градуировки ФПУ, уменьшении трудоемкости градуировки ФПУ и времени ее выполнения, а также в уменьшении габаритов устройства за счет отсутствия в нем источника питания чувствительного элемента фотометрического блока.

Литература

1. Вейко В.П., Ярчук М.В., Иванов А.И., Оптический журнал, т.78, №8, 2011, с.56-64.

2. Басов Н.Г., Данилычев В.А., Попов Ю.М., Хадкевич Д.Д. Письма в ЖЭТФ, т.102, 1970, с.473-474.

3. Фриш С.Э. «Оптические спектры атомов» // Москва - Ленинград, Гос.из-во физ.-мат-литературы, 1963, 640 с.

4. Герасимов Г.Н., Крылов Б.Е., Hallin R., Amesen А., Опт. и спектр., т.100, №6, 2006, с.904-909.

5. Измерение энергетических параметров и характеристик лазерного излучения / Под ред. А.Ф.Котюка. - М.: Радио и связь, 1981, 288 с.

Фотоприемное устройство для измерения энергетических параметров вакуумного ультрафиолетового излучения, включающее фотометрический блок, размещенный в вакуумированном объеме, блок регистрирующей системы, размещенный вне вакуумированного объема, и вакуумный токоввод, предназначенный для электрического соединения блоков фотоприемного устройства, отличающееся тем, что чувствительный элемент фотометрического блока выполнен в виде полостного калориметрического приемника излучения, поглощающей нагрузкой которого служит замкнутая полость с отверстием для ввода излучения, изготовленная из металла с высокой теплопроводностью.



 

Похожие патенты:

Группа изобретений относится к измерительной технике и может быть использована при решении задач энергетического аудита. Заявлен способ и устройство интеллектуального энергосбережения, согласно которым измеряют температуру теплоносителя на входе и выходе энергопотребляющего объекта, измеряют массу теплоносителя за определенный промежуток времени, определяют количество энергии, потребляемой объектом.

Изобретение относится к области калориметрии и может быть использовано для измерения импульсных тепловыделений. Заявлен способ измерения импульса тепла, включающий размещение в калориметрической ячейке реакционного сосуда с веществом, инициирование исследуемого теплового процесса после установления в калориметре регулярного теплового режима, измерение одновременно с инициированием количества теплоты Q, выделяемой в ячейке.

Изобретение относится к области приборостроения и предназначено для измерения тепловой энергии, подаваемой жидким теплоносителем от котлоагрегатов к отопительным системам и системам горячего водоснабжения зданий коммунального назначения, жилого фонда, школ, детских садов и иных сооружений промышленности.

Изобретение относится к области исследования свойств материалов с помощью калориметрических измерений и может быть использовано в бомбовых калориметрах для определения теплоты сгорания горючих газов.

Изобретение относится к теплотехнике и может найти преимущественное применение при экспериментальных исследованиях теплоэнергетического режима отдельного аккумулятора аккумуляторной батареи космического аппарата.

Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано для измерения остаточной мощности зарядов. .

Изобретение относится к области теплометрии и может быть использовано при осуществлении калориметрических измерений. .

Изобретение относится к энергетике и может быть использовано для прямого преобразования тепла сжигаемого биогаза в электричество постоянного тока с утилизацией тепла отводимых продуктов сгорания на отопление и горячее водоснабжение энергоавтономных усадебных домов.

Изобретение относится к оптике и радиофизике. Устройство для регистрации электромагнитного излучения содержит источник электромагнитного излучения, электрическую цепь, состоящую из источника ЭДС, амперметра и приемника электромагнитного излучения с фоточувствительным фоторезистором.

Изобретение относится к разделу «Оптика» и может быть использовано для контроля дисперсии внутрирезонаторных оптических элементов в спектральной области генерации фемтосекундного лазера.

Изобретение относится к гигиене труда и может быть использовано для оценки лазерной безопасности при использовании лазерных устройств в создании лазерного шоу. .

Изобретение относится к измерительной технике. .

Изобретение относится к преобразователям инфракрасного излучения и может быть использовано для преобразования инфракрасного изображения в видимый сигнал. .

Изобретение относится к области оптического приборостроения. .

Изобретение относится к фотометрии и может быть использовано при санитарно-гигиенических исследованиях уровня естественной освещенности в жилых, общественных и производственных помещениях.

Изобретение относится к контролю бактерицидного ультрафиолетового излучения. .

Изобретение относится к тепловым способам измерения энергетических параметров лазерных пучков. .

Изобретение относится к области электротехники и оптики и касается способа получения инфракрасного излучения. Для получения инфракрасного излучения электрический сигнал подают на вход блока предыскажений. Блок предыскажений изменяет форму сигнала путем извлечения из него корня восьмой степени. Измененный сигнал затем подается на вход источника инфракрасного излучения. Технический результат заключается в упрощении и ускорении обработки сигнала. 3 ил.

Изобретение относится к области энергетической фотометрии и касается фотоприемного устройства для измерения энергетических параметров вакуумного ультрафиолетового излучения. Фотоприемное устройство содержит фотометрический блок, размещенный в вакуумированном объеме, блок регистрирующей системы, размещенный вне вакуумированного объема, и вакуумный токоввод, предназначенный для электрического соединения блоков фотоприемного устройства. Чувствительным элементом фотометрического блока служит полостной калориметрический приемник излучения. Поглощающая нагрузка чувствительного элемента, выполненная в виде замкнутой полости с отверстием для ввода излучения, изготовлена из металла с высокой теплопроводностью. Технический результат заключается в повышении точности измерений, а также в уменьшении габаритов, повышении помехозащищенности и в упрощении методики градуировки фотоприемного устройства. 3 ил.

Наверх