Регистратор излучения

 

ОПИСАНИЕ

ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

Союз Советских

Социалистических

Республик

<11955783 (61) Дополнительное к авт. сеид-ву— (22) Заявлено 260281 (21) 3254632/18 25 с присоединением заявки М— (23) Приоритет— .Опубликовано 0712,82. Бюллетень Мо 45

Дата опубликования описания 03. 01. 83

И11М.К .

G 01 J 5/58

Государственный комитет

СССР но делам изобретений и открытий

РЗ) УДК 525.231..6(088.8) (72) Авторы изобретения

Г.И.РУнман, Б.Б.Шенемин и Б.И.Бее аноа",.н Б

И

Ч (7i ) Заявитель (54) РЕГИСТРАТОР ИЗЛУЧЕНИЯ

Изобретение относится к средствам регистрации излучения . и может быть использовано для измерения интенсивности излучения слабых источников, например, в астрономии.

Известны регистраторы излучения, например радиометры, содержащие приемную оптику, чувствительный элемент, электрический сигнал на выходе которого пропорционален интенсивности излучения, и систему регистрации (1 ).

Недостатком их является сравнительно низкая чувствительность, в особенности при проведении измерений в широком спектральном интервале.

Наиболее близким к изобретению является регистратор излучения, содержащий оптически связанные источник зондирующего излучения, чувствительный элемент и приемник зондирующего излучения, выход которого соединен с блоком регистрации, а также приемную систему, направляющую исследуемое излучение на чувствительный элемент().

Недостатком его является низкая чувствительность при регистрации излучения, нагревающего чувствительный элемент, составляюшая по мощнос-ти 10 в Вт. 30

Цель изобретения — повышение чувствительности регистрации.

Цель дотигается тем, что регистратор излучения, содержащий оптически связанные источник зондирующего излучения, чувствительный элемент и приемник зондирующего излучения, выход которого соединен с блоком регистрации, а также приемную систему, направляющую исследуемое излучение на чувствительный элемент, дополнительно снабжен системой подвеса чувствительного элемента, выполненного в виде капли жидкости с введенными в нее частицами, а также анализатором допплеровского уширения, вход которого соединен с выходом приемника зондирующего излучения, а выход — с входом блока регистрации.

На чертеже изображена функциональная схема регистратора излучения.

Регистратор излучения содержит источник 1 зондирующего излучения, фокусирующую оптическую систему 2, чувствительный элемент, выполненный в виде капли жидкости 3 с введенными в нее частицами 4, оптические свойства которых (коэффициент отражения, коэффициент преломления, т.п.) 955783 отличны от оптических свойств жидкости и инертны к жидкости, систе-. му подвеса 5 капли жидкости 3 в пространстве, например магнитную в случае диамагнитной жидкости 3 и частиц 4 или электростатическую, объектив б, Ь елевую диафрагму 7, приемник 8 зондирующего излучения. Направления зондирующего излучения 9 и приемника 8 не совпадают. Регистратор излучения содержит также анализатор допплеровс- 1О кого уширения 10, блок регистрации 11, приемную систему 12 исследуемого излучения 13.

Регистратор работает следующим образом.

Зондирующее излучение 9 подают че- 1 рез фокусирующую оптическую систему 2 в,объем капли жидкости 3 с введенными в нее частицами 4. Рассеиваясь (отражаясь)от частиц 4, излучение 9 попадает в апертуру объекти- 20 ва б и через диафрагму 7 — на приемник 8 излучения. На приемнике 8 излучения (ФЭУ ) регистрируются биения, возникающие из-эа взаимодействия сигнала оптической частоты источника 35

1 зондирующего излучения и Я сигналов частот(м„+ам;),возникающих в результате эффекта Допплера, причиной которой служйт броуновское движение частиц 4 в жидкости 3-гетеро- 3О динный режим либо биение между часто,тами (Mp и 4(A) -гомодинный режим.

И в TQM и в другом случае спектральное уширение (аю) однозначно определяется температурой жидкости 3 с 35 частицами 4.

В результате оптических биений (или гетеродинирования при гетеродинной схеме ) в электронной цепи ФЭУ возникает шумовой сигнал радиочастот- О . ного диапазона„ спектр которого однозначно характеризует величину уширения спектра.

При подаче на каплю жидкости 3 исследуемого (регистрируемого)излучения 13 через оптическую приемную 45 систему 12 вследствие поглощения этого излучения в жидкости температура ее изменяется.

Истинная термодинамическая температура капли определяется выражением: 50

Т= -f,5 Г (ю) q cl Л К (Sill Ч/2 ) где l(lp)- полуширина измеряемого допплеровского спектра, вязкость жидкости; характерный размер частиц; постоянная Больцмана; угол наблюдения частиц относительно оптической оси зондирующего излучения. бО

Полуширину допплеровского спектра определяют по формуле:

ДТ и Г(ш) bt b0 hA йЧ

Оценка составляющих погрешности дает следующие значения: йЯы1

Г(М

ЛЯ и

4 с1

Ol

4Л

А

b9

10

1О5

1О9

10 — 5 iàêHì образом, погрешность устройства составляет 10 при измерении истинной термодинамической температуры среды и мощности падающего на каплю исследуемого излучения, когда речь идет об измерении абсолютных значений мощности исследуемого излучения. Если же говорить об измерении приращений поглощаемой в капле мощности, т.е. об относительных измерениях, то погрешность измерений составит величину 10 .

Из схемы устройства следует, что размер частиц может быть как больше, так и меньше длины волны зондирующего излучения; среда должна быть прозрачна для зондирующего излучения, материал частиц не должен взаимодействовать (химически ) co средой; вязкость жидкости должна быть приемлемой с точки зрения получения скоростей движения броуновских частиц(1 см.1с, в рабочем диапазоне температур.

В устройстве осуществимо достижение предельной чувствительности измерений, ограниченной только термодинамическими флуктуациями.

Регистратор позволяет уменьшить площадь чувствительного элемента, т.е. "капли .жидкости, снизить рабочую температуру,эа счет использования жидкости, не замерзающей при криогенных температурах в случае использования криостата. где ы„ — частота максимума полосы пропускания первого .канала; ш — частота максимума полосы пропускания второго канала>

3 (юо„) — величина выходного сигнала на выходе фильтра первого канала 3(ы ) — величина выходного сигнала

2 на выходе фильтра второго канала.

Величину максимальной погрешности измерения истинной термодинамической, температуры, пропорциональную мощности исследуемого излучения, определяют по формуле

955783

Действительно, при применяемом, например, в пневматическом приемнике способе регистрации изменения давления или объема газа заметное уменьшение площади чувствительного элемента не реализуемо. Это же относится и к понижению рабочей температуры.

В других видах тепловых приемников обязательно, присутствуют токовые провода (во всех видах болометров, 10 в том числе сверхпроводящих), что вследствие тепловых связей увеличива-! .ет пороговое значение шумов..

В прЕдлагаемом устройстве считывание информации о величине температуры чувствительного элемента производится дистанционно с помощью луча зондирующего излучения, предельное сечение которого определяется длиной волны,т.е. дифракционным пределом (например, для лазера с Л =0,63 мкм величиной порядка одного микрона) и с большой степенью точности, энергетически не взаимодействующего со средой (c жидкостью и с частицами, рассеивающими зондирующее излучение ). Площадь чувствительного элемента может быть предельно малой„ например для регистрируемого излучения с Л 10 мкм размеры могут. быть порядка 10х10х10 мкм . Теплопотери, а значит, шумы, ограничивающие пороговую чувствительность,. могут быть сведены только к потерям за счет теплового излучения чувствительного элемента. Так,например,при T = 300%, 35

af = 1 Гц и площади приемника (эф: фективной площади приемника — капли жидкости в предлагаемом устройстве ) А 10 х 10 мкьР= 10+см предельно регистрируемый сигнал Р;-5,6 х 40 х 108Вт. Снижение температуры, например, до 20 К соответствует при прежних прочих условиях Р „и105Вт.

Для чувствительного элемента в виде подвешенной полем (магнитным 4g или электрическим) капли жидкости тепловые потери, и,следовательно, флуктуации малы и могут ограничиваться только тепловым излучением. Этот вид потерь может быть уменьшен, если подвешенную полем каплю поместить в замкнутую полость с зеркальными стенками, снабженными малым отверстием для ввода регистрируемого излучения и попадания его на каплю.

В этом, случае приращение температуры капли будет (при заданной мощности регистрируемого сигнала) возрастать со временем (режим калориметрического измерений ), т.е. чувствительный элемент будет работать в режиме интегратора, Расчет показывает, что увеличение спектральной плотности флуктуации при таком увеличении температуры крайне мало.

Авторами изготовлен и испытан ма кет предлагаемого устройства. Схема макета соответствовала прив ченной на чертеже. В качестве источника зон-. дирующего излучения был использов .1 лазер типа ЛГ-75(А 0,63 мкм), жидкость — дистиллированная вода, частицы-шарики латекса диаметром 0,010,5 мкм,концентрация 10 Зотносительных объемных единиц, приемник излучения ФЭУ-79, ширина пропускания фильтров сисТемы измерения уширения спектра аЮ = 10 Гц на уровне 0,7,ш1=

100 Гц, ш = 10 Гц, размер капли

50 мкмз, источник регистрируемого излучения — лазер ЛГ-23(Л = 10,6 мкм) с фильтрами. Предварительные измерения подтверждают ожидаемые результаты

Предлагаемое устройство может быть использовано в метрологии, аст-. рологии и экспериментальной технике для измерения пороговых значений мощности и энергии в широком спектральном диапазоне.

Формула изобретения

Регистратор излучения, содержащий оптически связанные источник зондирующего излучения, чувствительный элемент и приемник зондирующего излучения, выход которого соединен с блоком регистрации, а также приемную систему, направляющую исследуемое излучение на чувствительный элемент, отличающийся тем, что, с целью увеличения чувствительности регистрации, он дополнительно снабжен системой подвеса чувствительного элемента, выполненного в виде капли жидкости с введенными в нее частицами, а также анализатором допплеровского уширения, вход которого соединен с выходом приемника зондирующего излучения, а выход — с входом блока регистрации.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1. Справочник по приборам инфракрасной техники. Под ред. Криксунова Л.Э. Киев, Техника, 1980, с.4651.

2 ° Авторское свидетельство СССР

М 462090, кл. С 01 J 5/58, 1974 (прототип) .

955783

Составитель В.Капустин

Техред M.Êîøòóðàt

Корректор В.Прохненко

Редактор Е.Хейфиц

Заказ

Филиал ППП "Патент", r. Ужгород, ул. Проектная, 4

10б43!10 Тираж 887 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5