СПОСОБ РЕГИСТРАЦИИ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЙ РАДИАЦИИ Российский патент 2003 года по МПК G01J5/00 

Изобретение относится к способам регистрации электромагнитной радиации всех частот, в частности к регистрации ИК-излучения.

Известен способ регистрации радиации на материалах типа фотопленок (Физический энциклопедический словарь (Гл. ред. Прохоров А.М.), М., 1983, с. 585; Патент US 6259537). Однако этот способ требует много времени для проявки и обработки пленок и связан с большим количеством расходуемых материалов.

Известен способ регистрации радиации с образованием электронов в фотоумножителях и полупроводниковых материалов (Патенты US 6144341, US 5869844, US 6373055). Однако этот способ требует дорогостоящей аппаратуры для усиления малых сигналов, систем питания и охлаждения.

Известен способ регистрации радиации, в котором излучение вызывает разогрев поглощающих элементов приемников с последующим замером повышения их температуры (калориметры, болометры, термопары). Однако для замера небольшого увеличения температуры при высокой теплоемкости приемных элементов здесь требуются точные приборы с дополнительным питанием и охлаждением (Левитин И. Б. Инфракрасная техника, Л., 1973; Ллойд Дж. Системы тепловидения, пер. с англ., М., 1978).

Известны (Физический энциклопедический словарь (гл. ред. Прохоров А.М.), М. , 1983, с.745) более простые устройства регистрации, в которых тепловое изображение объекта непосредственно, без преобразования в электрические сигналы, проецируется на экран, покрытый тонким слоем вещества, меняющего свои оптические характеристики [коэффициент отражения или пропускания, интенсивность или цвет свечения, рассеяние среды (Патент US 5916841) и т.п.] под действием тепловой радиации (прототип). На экранах таких устройств можно наблюдать видимые изображения объектов и фотографировать их. В качестве температурно чувствительных веществ используются жидкие кристаллы, кристаллические люминофоры, полупроводниковые пленки, магнитные тонкие пленки, термисторы (Патент US 6292089) и т.д. Однако в этих устройствах тонкие слои вещества всегда находятся в тесном контакте с толстым экраном (подложкой), передают ему значительную часть своего тепла, что уменьшает их нагрев при поглощении радиации и практически исключает их механические перемещения в плоскости экрана.

Задачей, решаемой изобретением, является разработка простого в осуществлении, дешевого и высоко чувствительного способа регистрации электромагнитной радиации всех длин волн.

Известна способность ряда жидкостей типа водных растворов мыла, поверхностно-активных веществ, жидких кристаллов, меда и т.п. создавать свободные пленки на рамках (или пузыри). Например, мыльные пленки на основе коммерческих сортов мыла используются в измерителях газовых потоков (Патент US 5723783) для создания бегущих мыльных пленочных мостов с постоянной прокачкой раствора с общей площадью около 100 м² (Vorobieff P., Ecke R.E. Am. J. Phys. 67, 394 (1999) (htto:/cnls.lanl.gov/~azathoth/ekman/2dturbindex.html), Rivera M. , Vorobieff P., Ecke R.E., Phys. Rev. Lett, 81, 1417 (1998)). Но состоящие более чем на 95-99% из воды свободные мыльные пленки на основе обычных коммерческих сортов мыла без специальных добавок практически не чувствительны к нагреву и радиации. Поэтому из-за отсутствия вызываемых радиацией фиксируемых изменений свойств на фоне происходящих изменений самих пленок, связанных с характерным для них в неравновесном окружении старением, обычные свободные жидкие пленки для регистрации радиации не применяются, и возможность их использования с этой целью в литературе не обсуждалась.

Для решения поставленной задачи предлагается создавать в равновесном окружении, т.е. в атмосфере насыщенных паров и газов, свободные, но не обычные жидкие пленки, а со специально подобранными и совместимыми в пленке (позволяющими создавать пленку) составляющими большой концентрации (например, более 5%), чувствительными к электромагнитной радиации, и по вызываемым радиацией обратимым изменениям свойств таких пленок фиксировать наличие радиации. При этом для регистрации используются как известные, так и ранее невозможные на подложках, но крайне чувствительные к радиации свойства материалов, а именно подвижность свободной жидкой пленки и ее остываниe при проектировании на нее изображений холодных объектов. Кроме того, из-за малой теплоемкости и отсутствия тесного контакта с отбирающей тепло подложкой при регистрации потоков у свободной пленки возрастает чувствительность к нагреву, вызываемому радиацией.

Радиация может вызывать нагрев свободной жидкой пленки и, например, такие оптические изменения, как обратимые изменения поверхностного натяжения и возникновение на ней потоков жидкости, температурное расширение пленки или сжатие, изменение однородности состава (расслоение), изменение толщины или окраски, появление цветных, узорчатых потоков на пленке, изменения формы ее поверхности, показателя преломления, рассеяния в жидкости, изменение интерференционных полос при наблюдении в отраженном свете, интенсивности флуоресценции и т.п.

Для регистрации радиации, например, в полосе 15-20 мкм предлагается создавать пленку из водного раствора поверхностно-активного вещества Тритон Х-100 с этанолом и ди-R-фталатами, где R - метил или этил, или бутил, или октил.

Для регистрации радиации в полосе 340-610 нм и 15-20 мкм предлагается создавать пленку из водного раствора жидкости для мытья посуды "Sunlight" или "Бинго с глицерином" с ди-R-фталатами, где R - метил или этил, или бутил, или октил, и этанола с красителем 9-диэтиламино-бензо[a]феноксазинон-5 или черными чернилами, придающими пленке дополнительную полосу поглощения в видимом диапазоне.

Для уменьшения поверхностного натяжения составляющих пленку жидкостей и увеличения чувствительности к радиации в равновесное окружение пленок добавляют пары фторуглеродов типа С₈F₁₈ при давлении 5-100 торр (патент РФ 2114414) и/или пары бензина, и/или пентана, и/или этилового эфира при давлении 50-300 торр, которые так же, как фторуглероды, уменьшают поверхностное натяжение составляющих пленку жидкостей и меняют знак зависимости поверхностного натяжения жидкостей от температуры.

Пример 1. В прозрачную пластиковую бутылку диаметром 6 см с перетяжкой (уменьшением диаметра) по высоте из материала полиэтилентерфталат толщиной стенок 0,35 мм, имеющего пропускание около 30% для ИК-радиации в полосе 15 мкм (14-20 мкм), заливают раствор следующего состава: Тритон Х-100 - 10 объемных частей (об. ч.), этанол - 20 об.ч., ДБФ - 10 об.ч., вода - 70 об.ч. Наклоном бутылки и круговым (ополаскивающим) движением создают на уровне перетяжки одну ровную или слегка выпуклую сплошную пленку, перпендикулярную оси бутылки. Толщина такой пленки при комнатной температуре обычно составляет 0,5-5 мкм. Бутылку с горизонтально расположенной и успокоившейся после образования пленкой помещают на расстоянии 0,3-0,5 м от регистрируемого теплового источника (это может быть другая бутылка с теплой водой или сам наблюдатель, или его поднесенная к бутылке рука) и через доли минуты визуально регистрируют, как от ближайшей к тепловому источнику стенки к центру пленке начинает идти постоянный поток жидкости со скоростью 0,5-1,5 см/с, хорошо видимый по изменению цвета и положению интерференционных полос на пленке. Ширина и скорость наблюдаемого потока пропорциональны интенсивности теплового источника. Пороговые интенсивности радиации в полосе 14-20 мкм, достаточные для визуальной регистрации изменений на пленке, не превышают 5 мкВт/см² при воздействии в течение 1 с (5 кмДж/см²), что по оценкам позволяет на проектируемом на пленку изображении замечать разницу температур соседних участков удаленного источника радиации в десятые и сотые доли градуса. На фотографии (фиг. 1), снятой в видимом свете при комнатной температуре 20^oС, показан внешний вид такого регистратора и вызываемого падающим сбоку (со стороны, указанной стрелкой) тепловым излучением [источник тепловой радиации ладонь (37^oС) на расстоянии 15 см от бутылки] вид разноцветного потока на тонкой интерферирующей пленке. Для сравнения интенсивностей потоков от двух источников радиации с одинаковой площадью излучающих поверхностей бутылка с пленкой помещается между ними (один из них может быть измеряемым источником, а второй, например, - эталонным источником с известными излучательными характеристиками). В этом случае на пленке возникают два потока разной интенсивности, идущие навстречу друг другу от противоположных стенок. Перемещая бутылку между двумя источниками и меняя расстояние до них, можно выбрать такое ее положение, при котором эти потоки будут иметь одинаковую интенсивность, и по отношению расстояний от пленки до источников определить относительную интенсивность измеряемого источника.

Пример 2. В прозрачную пластиковую бутылку с раствором, как в примере 1, добавляют пары С₈F₁₈ (давление насыщенных паров которых при комнатной температуре около 20 торр), что приводит к уменьшению поверхностного натяжения пленки (Патент РФ 2114414), повышает ее чувствительность к радиации и меняет знак зависимости поверхностного натяжения от температуры. При этом (фиг.2) при воздействии на пленку тепловой радиации в полосе 14-20 мкм возникающий поток меняет свое направление движения на обратное - поток бежит не от источника радиации, как в примере 1, а от него. На фиг.2 пленка в правой бутылке находится в равновесной атмосфере (как на фиг.1), т.е. без газа С₈F₁₈, и вызываемый на ней тепловой радиацией от средней бутылки (Т = 30^oС) поток бежит от источника тепла, а в левой бутылке с такой же по составу пленкой добавлено еще 20 торр газа С₈F₁₈, в результате поток на ней имеет другой цвет и бежит в противоположном направлении - к источнику радиации.

Пример 3. В сосуд диаметром 30 см, прозрачном для СВЧ-радиации, из раствора, описанного в примере 1, помещают созданную на рамке горизонтальную пленку такого же диаметра и подвергают сосуд с пленкой воздействию СВЧ-радиации в СВЧ-печи в течение 1-5 с. После выключения СВЧ-радиации визуально регистрируют возникшие в результате воздействия СВЧ-радиации изменения цвета и потоки на пленке.

Особенности предлагаемого способа состоят в следующем:
1. Пленка создается из заранее приготовленного раствора непосредственно перед регистрацией радиации, термолизуется (приходит в необходимое для регистрации равновесное состояние) за десятки секунд и живет часами. При необходимости пленка омывается раствором, например, перед каждым новым измерением. Материал готовых растворов со временем не расходуется, в закрытых объемах при комнатной температуре в течение многих лент не стареет, и свойства пленок со временем не меняются.

2. Подбор совместимых составляющих раствора, их спектральных полос поглощения (окраски) и дополнительных пропускающих радиацию фильтров обеспечивает высокую селективность приемников в желательном для регистрации диапазоне длин волн (например, в полосе 14-20 мкм).

3. Рабочий диапазон температур пленок определятся совместимостью составляющих, а также температурой замерзания и кипения раствора для создания пленки и изменяется подбором составляющих и равновесных окружающих условий.

4. Размеры пленок, при необходимости, могут превышать десятки квадратных метров (например, при регистрации СВЧ).

5. Для пленки толщиной 1 мкм при диаметре 1 м² требуется около 1 см³ простого в изготовлении раствора, что по стоимости делает такие приемники радиации рекордно дешевыми.

6. Регистрация воздействия радиации на пленку при ее нагреве на сотые и тысячные доли градуса может проводиться без дополнительных приборов, визуально, как показано на фиг.1 и 2 (см. примеры 1 и 2).

7. Более точная регистрация может проводиться с помощью дополнительных приборов. Введенный в пленку лазерный луч испытывает на ее поверхностях полное внутреннее отражение, что позволяет с помощью такого лазерного луча регистрировать недоступные глазу самые малые изменения свойств пленки.

8. С помощью зеркал и линз можно создавать на пленке проекции источников радиации и по локальным изменениям свойств пленки регистрировать их изображения.

9. Верхняя граница динамического диапазона регистрации потоков радиации пленки определяется ее прочностью - при ее превышении пленка перегревается и рвется, но для продолжения регистрации требуется просто создать новую пленку и уменьшить интенсивность падающего на нее потока радиации.

10. Пространственное разрешение элементов изображения на однородной пленке определяется ее толщиной и при тонких пленках может быть меньше 0,5 мкм.

11. Предлагаемый способ регистрации и измерения радиации по изменению свойств свободных жидких пленок может быть использован как на Земле, так и в невесомости.

12. Отсутствие подложки и малая теплоемкость впервые позволяют на свободной пленке проводить регистрацию предметов с температурой меньше, чем температура самой пленки, за счет вызываемого при проецировании на нее изображений холодных объектов локального радиационного остывания участков пленки.

Таким образом, разработан простой, дешевый и высоко чувствительный способ регистрации электромагнитной радиации в широком диапазоне длин волн, основанный на контроле изменений свойств на связанных с подложкой механически подвижных поглощающих радиацию свободных жидких пленок.

Возможные применения
Способ регистрации радиации на свободных пленках может быть использован для дистанционного обнаружения спектрально выделенных источников радиации (или поглотителей), например наиболее нагретых (холодных) участков электронной аппаратуры, при профилактическом осмотре линий электропередач и промышленных установок, нагретых (холодных) участков зданий, открытых и скрытых очагов огня, утечек тепла (холода) в теплоизоляции, для охранных устройств и т.п. и в качестве простых и наглядных учебных пособий для демонстрации действий радиации. При контактах с объектами свободная пленка может определять разницу их температур с точностью до сотых и тысячных долей градуса.

Изобретение относится к способам регистрации электромагнитной радиации всех частот и, в частности, к регистрации ИК-излучения. Предлагается для регистрации электромагнитной радиации создавать в равновесном окружении, т.е. в атмосфере насыщенных паров и газов, свободные, но не обычные жидкие пленки, а со специально подобранными и совместимыми в пленке составляющими большой концентрации, чувствительными к радиации, и по вызываемым обратимым изменениям свойств таких пленок фиксировать наличие радиации. Технический результат - упрощение регистрации. 4 з.п.ф-лы, 2 ил.

1. Способ регистрации электромагнитной радиации, основанный на контроле изменений свойств поглощающего радиацию материала, отличающийся тем, что в равновесной атмосфере насыщенных паров и газов создают свободную жидкую сплошную пленку из раствора, содержащего составляющие, чувствительные к электромагнитной радиации, регистрируют изменения под действием радиации свойств свободной пленки и по ним определяют наличие и интенсивность электромагнитной радиации.2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в пленке из водного раствора поверхностно активного вещества Тритон X-100 в качестве составляющих используют ди(R)фталат, где R - метил, или этил, или бутил, или октил (ДРФ) и этанол, поглощающие микроволновую радиацию в диапазоне 15-20 мкм, и измеряют скорость движения потока жидкости на пленке.3. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве составляющих в пленке из водного раствора жидкости для мытья посуды "Sunlight" или "Бинго с глицерином" используют ДРФ с красителем 9-диэтиламино-бензо[а]феноксазинон-5 или черными чернилами и этанол, придающие пленке дополнительную полосу поглощения в видимом диапазоне, и измеряют скорость движения потока жидкости на пленке.4. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что измеряют расслоение составляющих и помутнение жидкости пленки.5. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что в равновесное окружение пленки добавляют пары фторуглеродов, типа C8F18, и/или пары бензина, и/или пентана, и/или этилового эфира при давлении 5-300 торр, уменьшающих поверхностное натяжение составляющих пленку жидкостей и меняющих знак зависимости поверхностного натяжения жидкостей от температуры, и измеряют скорость движения потока жидкости на пленке.