КООРДИНАТНО-ЧУВСТВИТЕЛЬНЫЙ ПРИЕМНИК ИЗЛУЧЕНИЯ Российский патент 2008 года по МПК G01J5/00 

Изобретение относится к радиационной пирометрии и может быть использовано, преимущественно, для определения координат потока излучения в видимом и ИК спектре, например для определения заданных координат при нарезке металлических листов, изготовлении отверстий, лазерной маркировке деталей и др.

Общеизвестно, что один из путей определения координат потока излучения основан на изменении физических свойств сегнетоэлектрических кристаллов класса 3m. Одним из свойств сегнетоэлектрических кристаллов класса 3m, используемых для определения координат потока излучения, является пироэффект.

В объеме сегнетоэлектрического кристалла класса 3m при нагревании происходит изменение расстояния между зарядами диполей. Электрические диполи ориентированы вдоль полярной оси сегнетоэлектрического кристалла класса 3m. При этом на гранях, перпендикулярных полярной оси сегнетоэлектрического кристалла класса 3m, накапливается электрический заряд, что приводит к появлению разности потенциалов. Величина разности потенциалов зависит от координаты потока излучения на поверхности сегнетоэлектрического кристалла класса 3m. По величине разности потенциалов определяются координаты потока излучения. Точность определения координат обеспечивается линейной зависимостью величины разности потенциалов от координат потока излучения, которая, в свою очередь, зависит от формы и конструкции кристалла.

Для увеличения концентрации носителей зарядов сегнетоэлектрический кристалл класса 3m легируется различными примесями, например железом.

Проблемой в области определения координат потока излучения является невысокая точность измерений, которая приводит к снижению качества выполнения лазерных работ. Невысокая точность измерений обусловлена тем, что достичь линейной зависимости величины разности потенциалов от координат потока излучения не представляется возможным из-за технологических трудностей изготовления формы и конструкции чувствительного элемента.

Любое отклонение от заданной формы и конструкции чувствительного элемента приводит к нелинейной зависимости величины разности потенциалов от координат потока излучения и, как следствие, к снижению точности измерений.

Известно устройство для определения координат потока излучения переменной мощности, работа которого основана на пироэлектрическом эффекте [1]. Устройство содержит два чувствительных элемента сэндвичного типа переменной толщины, один чувствительный элемент сэндвичного типа постоянной толщины, зеркальные электроды и измерительное устройство.

Каждый чувствительный элемент сэндвичного типа выполнен из сегнетоэлектрического кристалла класса 3m с зеркальными электродами. Полярная ось каждого из трех сегнетоэлектрических кристаллов класса 3m перпендикулярна горизонтальной плоскости пластинок.

Каждый чувствительный элемент сэндвичного типа переменной толщины выполнен в виде клиновидной пластинки с изменением толщины по закону, близкому к гиперболическому. В направлении изменения толщины, совпадающей с осями X, Y, чувствительные элементы имеют градиенты чувствительности разности потенциалов от координаты.

Чувствительный элемент сэндвичного типа постоянной толщины выполнен в виде плоскопараллельной пластинки с равномерной чувствительностью.

Грани, перпендикулярные полярной оси кристалла, контактируют с зеркальными электродами, которые напылены и отполированы на них. Электроды выполнены из металлов с одинаковой работой выхода.

Чувствительные элементы сэндвичного типа переменной толщины и постоянной толщины связаны между собой оптической связью. Чувствительные элементы сэндвичного типа переменной толщины лежат в одной плоскости. Градиенты чувствительности элементов переменной толщины ориентированы взаимно перпендикулярно. Чувствительный элемент сэндвичного типа постоянной толщины лежит в плоскости, параллельной плоскостям расположения чувствительных элементов переменной толщины. При этом проекция центра чувствительного элемента сэндвичного типа постоянной толщины расположена между центрами чувствительных элементов сэндвичного типа переменной толщины.

Измерительное устройство содержит блок регистрации уровня мощности и блоки регистрации координат со схемой деления.

Входы блоков регистрации координат соединены с электродами чувствительных элементов сэндвичного типа переменной толщины. Вход блока регистрации уровня мощности соединен с электродом чувствительного элемента сэндвичного типа постоянной толщины. Выход блока регистрации уровня мощности параллельно соединен с входами блоков регистрации координат.

Устройство работает следующим образом. Переменный поток излучения последовательно падает и отражается от электродов первого чувствительного элемента переменной толщины, чувствительного элемента постоянной толщины и второго чувствительного элемента переменной толщины, вызывая при этом локальный нагрев каждого электрода чувствительных элементов сэндвичного типа.

Сегнетоэлектрический кристалл класса 3m проявляет пироэлектрические свойства при падении на него переменного потока излучения.

При локальном нагревании электрода кристалл локально нагревается, что приводит к появлению электрического заряда и разности потенциалов между его гранями, перпендикулярными полярной оси. Разность потенциалов на гранях кристалла создает такую же разность потенциалов на электродах.

Сигналы с электродов каждого чувствительного элемента сэндвичного типа поступают в измерительное устройство. Блоком регистрации уровня мощности оценивается мощность переменного потока излучения. В блоках регистрации координат оценивается отношение величин сигналов с чувствительных элементов сэндвичного типа переменной толщины и чувствительного элемента сэндвичного типа постоянной толщины, по значению которого определяются координаты по осям X, Y. Отношение величин сигналов не зависит от мощности переменного потока излучения.

Достоинством устройства для определения координат переменного потока излучения является быстродействие определения координат. Это обусловлено тем, что координаты определяются одновременно в двух координатной системе.

Недостатком устройства для определения координат переменного потока излучения является низкая точность измерения координат. Это обусловлено нарушением линейной зависимости из-за негиперболической формы выполнения чувствительного элемента сэндвичного типа переменной толщины, обеспечение которой технологически практически невозможно.

Другим недостатком известного устройства является ограничение функциональных возможностей, обусловленные определением координат только для потока излучения переменной мощности. Определение координат потока излучения постоянной мощности на пироэффекте не представляется возможным из-за того, что изменение температуры при воздействии на кристалл потока излучения постоянной мощности практически отсутствует.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является устройство для определения координат потока излучения переменной мощности, работа которого основана на пироэлектрическом эффекте [2]. Устройство содержит два плоских чувствительных элемента сэндвичного типа, электроды и измерительное устройство.

Каждый чувствительный элемент сэндвичного типа выполнен из пироэлектрического кристалла, который относится к сегнетоэлектрическому кристаллу класса 3m, в виде плоскопараллельных секторов диска с электродами. Полярные оси перпендикулярны плоскостям кристалла.

Чувствительные элементы совмещены в одной плоскости и образуют диск. Градиент чувствительности разности потенциалов от координаты каждого чувствительного элемента ориентированы перпендикулярно и совпадают с осями X, Y.

Диск установлен перпендикулярно оптической оси системы.

Электроды изготовлены из металлов с одинаковой работой выхода путем напыления на плоскости диска. Один электрод сплошной, а второй разделен перпендикулярными диаметрами на четыре равные части. Диаметрально противоположные сектора диска соответствуют чувствительным элементам, с помощью которых определяются координаты потока излучения по осям Х и Y. Диаметры диска ориентированы под углом 45° к осям X, Y. Начало отсчета координат потока излучения - точка 0 системы координат X, Y совпадает с точкой пересечения диаметров. Диаметрально противоположным секторам чувствительных элементов соответствуют различные знаки координат.

Измерительное устройство содержит два дифференциальных усилителя, два делителя и сумматор.

Диаметрально противоположные сектора диска подключены последовательно к входам дифференциальных усилителей по координатам X, Y и параллельно - к входу сумматора. Выходы сумматора и дифференциальных усилителей соединены с входами делителей по осям X, Y.

Устройство работает следующим образом. Переменный поток излучения падает на сплошной электрод чувствительных элементов, вызывая при этом локальный нагрев, который приводит к локальному изменению дипольного момента сегнетоэлектрического кристалла класса 3m, что приводит к появлению электрического заряда и разности потенциалов между сплошным электродом и электродом каждого сектора диска.

В дифференциальных усилителях по осям X, Y величины сигналов с диаметрально противоположных частей второго электрода вычитаются и усиливаются. Величина разности сигналов с диаметрально противоположных секторов диска пропорциональна координатам X, Y, а также зависит от мощности потока излучения.

Сумматор суммирует величины сигналов, поступающие с каждого сектора диска, и определяет мощность переменного потока излучения.

Делители нормируют величины сигналов с дифференциальных усилителей и сумматора. В результате на выходе из приемника получают два сигнала: о координатах потока излучения и о его мощности.

Достоинством устройства для определения координат потока излучения переменной мощности является быстродействие определения координат. Это обусловлено тем, что координаты определяются одновременно в двухкоординатной системе по разности сигналов с диаметрально противоположных секторов диска.

Недостатком устройства для определения координат потока излучения переменной мощности является невысокая точность измерения координат. Это обусловлено нарушением линейной зависимости разности потенциалов от координаты и приводит к увеличению погрешности из-за неравенства площадей всех секторов диска. Обеспечение равенства площадей четырех секторов диска является технологически сложной задачей.

Другим недостатком известного устройства является ограничение функциональных возможностей, обусловленные определением координат только для потока излучения переменной мощности. Определение координат потока излучения постоянной мощности на пироэффекте не представляется возможным из-за того, что изменение температуры при воздействии на кристалл потока излучения постоянной мощности практически отсутствует.

Задача, решаемая изобретением, заключается в разработке координатно-чувствительного приемника излучения, обеспечивающего определение координат потока излучения постоянной мощности и повышение точности определения координат потока излучения переменной мощности за счет уменьшения влияния пироэффекта и нелинейной зависимости напряженности электрического поля от координаты потока излучения на точность определения координат благодаря созданию в кристалле термоэлектретного и фотовольтаического полей, результирующая напряженность которых меняет знак с отрицательного значения на положительное.

Для решения поставленной задачи в координатно-чувствительном приемнике излучения, содержащем два чувствительных элемента сэндвичного типа, установленных перпендикулярно оси оптической системы, совпадающей с направлением потока излучения, и измерительное устройство с двумя блоками регистрации координат, причем каждый чувствительный элемент выполнен в виде плоскопараллельной пластинки из сегнетоэлектрического кристалла класса 3m с электродами, их полярные оси ориентированы взаимно перпендикулярно, а каждый блок регистрации координат электрически связан с соответствующими электродами чувствительного элемента, в качестве сегнетоэлектрического кристалла класса 3m выбран сильнолегированный кристалл, в каждой пластинке полярная ось кристалла направлена под углом 2°-5° к входной грани кристалла, направление проекции которой на ось оптической системы ориентировано противоположно потоку излучения, электроды каждого чувствительного элемента выполнены полупрозрачными из металлов с различной работой выхода и чувствительные элементы установлены последовательно, при этом электрод с меньшей работой выхода металла контактирует с входной гранью кристалла, а электрод с большей работой выхода металла - с его выходной гранью.

Наличие существенных отличительных признаков в совокупности с остальными существенными признаками устройства позволяет определять координаты потока излучения от источников излучения постоянной и переменной мощности и повышать точность измерения координат.

Именно благодаря выполнению чувствительного элемента в виде плоскопараллельной кристаллической пластинки с электродами из металлов с различными работами выхода и расположению электрода с меньшей работой выхода металла на входной грани кристалла, а электрода с большей работой выхода металла - на его выходной грани в сегнетоэлектрическом кристалле класса 3m создается отрицательное термоэлектретное поле, постоянное по величине в направлении полярной оси кристалла.

А благодаря выполнению электродов полупрозрачными и ориентации направления проекции полярной оси кристалла на ось оптической системы противоположно потоку излучения в сегнетоэлектрическом кристалле класса 3m создается положительное фотовольтаическое поле за счет частичного поглощения потока излучения в нем.

Выполнение легированного сегнетоэлектрического кристалла класса 3m с ориентацией полярной оси под углом 2-5° к входной грани кристалла приводит, во-первых, к созданию фотовольтаического поля одного порядка по величине с термоэлектретным и, во-вторых, к перераспределению концентрации носителей заряда при экранировании поля диполей вдоль полярной оси кристалла от минимального значения до максимального, что приводит к увеличению напряженности фотовольтаического поля вдоль полярной оси от минимума до максимума.

Наличие отрицательного постоянного термоэлектретного поля и положительного увеличивающегося фотовольтаического поля обеспечивает смену знака результирующего поля вдоль полярной оси кристалла.

Таким образом, в чувствительном элементе всегда есть точка, в которой напряженность результирующего поля равна нулю. Наличие такой точки позволяет всегда в кристалле точно определить начало координат. Точное определение начала координат приводит к увеличению точности определения координат потока излучения как постоянной, так и переменной мощности.

На чертеже представлена схема координатно-чувствительного приемника излучения.

Устройство содержит два последовательно установленных чувствительных элемента сэндвичного типа 1, 2 и измерительное устройство 3.

Каждый чувствительный элемент 1, 2 выполнен в виде плоскопараллельной пластинки 4 из сильнолегированного сегнетоэлектрического кристалла класса 3m, например ниобата лития, с электродами 5.

Каждая пластинка 4 вырезана под небольшим углом, выбранным в диапазоне 2-5° к полярной оси кристалла.

Каждая пластинка легирована, например ионами железа, в количестве, выбранном из интервала 0,3-0,5% к общему весу кристалла. Данная концентрация делает кристалл сильнолегированным. Электропроводность прыжкового типа в сильнолегированном сегнетоэлектрическом кристалле класса 3m зависит от температуры следующим образом σ=σ₀ехр(-(Т₀/Т)^0.25). В таком кристалле протекает ток, величина которого сильно изменяется с температурой.

Электроды 5 чувствительных элементов 1, 2 выполнены полупрозрачными из металлов с различной работой выхода. Электроды 5 напылены на входные и выходные грани каждого кристалла 4. Металл с меньшей работой выхода напылен на входную грань каждого кристалла 4, из которого выходит положительное направление его полярной оси 6. Металл с большей работой выхода напылен на выходную грань каждого кристалла 4, в которую входит положительное направление его полярной оси 6. При этом направление проекции полярной оси кристалла на ось оптической системы ориентировано противоположно потоку излучения.

Оба чувствительных элемента 1, 2 установлены перпендикулярно оси устройства, совпадающей с осью Z системы координат XYZ, и связаны между собой оптической связью.

Полярная ось 6 кристалла чувствительного элемента 1 лежит в плоскости XZ и перпендикулярна полярной оси 6 кристалла чувствительного элемента 2, лежащей в плоскости YZ. При этом градиенты чувствительности разности потенциалов от координаты потока излучения направлены вдоль полярных осей кристаллов.

Измерительное устройство 3 содержит два блока регистрации координат 7, 8, определяющие координаты потока излучения по осям Х и Y.

Вход блока регистрации координаты 7, определяющего координату потока излучения по оси X, соединен с полупрозрачными электродами 5 чувствительного элемента 1. Вход блока регистрации координаты 8, определяющего координату потока излучения по оси Y, соединен с полупрозрачными электродами 5 чувствительного элемента 2.

Устройство работает следующим образом.

В сегнетоэлектрическом кристалле 4 класса 3m электрические диполи ориентированы вдоль полярной оси 6 и создают внутреннее электрическое поле.

Легирование кристалла увеличивает концентрацию носителей заряда. Электроны сегнетоэлектрического кристалла 4 класса 3m под действием поля диполей концентрируются, оседая в потенциальных ямах, в большей степени у края кристалла 4, из которого выходит положительное направление полярной оси 6 и в меньшей степени у противоположного края. При этом электрическое поле, созданное электронами, компенсирует поле диполей.

Кроме того, в каждом чувствительном элементе 1, 2 протекает квазистационарный ток, созданный электретной ЭДС (разностью потенциалов) за счет различной работы выхода металлов электродов 5. В каждом кристалле 4 электрическое поле, созданное электретной ЭДС, направлено по оси системы.

При падении потока излучения постоянной мощности на входную грань чувствительного элемента 1, 2 электрод 5 локально нагревается за счет частичного поглощения излучения в нем (примеры 1, 2). При этом кристалл 4 локально нагревается, что приводит к увеличению расстояния между зарядами электрических диполей, ориентированных вдоль полярной оси 6, а также к появлению электрического заряда и разности потенциалов на электродах 5 (термоэлектретный эффект). Электрическое поле, созданное термоэлектретным эффектом, направлено по оси системы и остается постоянным по величине в направлении полярной оси 6 только в сильнолегированном кристалле 4.

При падении потока излучения постоянной мощности пироэлектрический эффект не проявляется, так как протекание электрического тока вдоль полярной оси 6 происходит только при изменении температуры кристалла 4, например при потоке излучения переменной мощности.

Одновременно поток излучения постоянной мощности проходит сквозь кристалл 4 с частичным поглощением в нем. Электроны, находящиеся в потенциальных ямах, при поглощении потока излучения получают дополнительную энергию, становятся свободными и смещаются в сторону, противоположную положительному направлению полярной оси 6 кристалла 4, создавая в этом направлении фотовольтаический ток. Это приводит к появлению электрического поля, направленного вдоль полярной оси 6 кристалла 4 (фотовольтаический эффект), обеспечивающего на входной и выходной гранях кристалла 4 фотовольтаическую разность потенциалов. Такая же разность потенциалов создается на электродах 5.

Таким образом, при действии излучения на каждый чувствительный элемент 1, 2, в нем создается два электрических поля:

первое, обусловленное термоэлектретным эффектом (отрицательное поле); с направлением, совпадающим с осью системы; с величиной напряженности электрического поля, остающейся постоянной по величине в любой точке входной грани кристалла;

второе, обусловленное фотовольтаическим эффектом (положительное поле); с направлением, совпадающим с положительным направлением полярной оси 6; с величиной проекции напряженности электрического поля на ось системы, увеличивающейся в положительном направлении полярной оси 6 кристалла 4 от минимального значения (почти ноль) до максимального значения.

Пироэлектрическое поле равно нулю, так как мощность потока излучения постоянна.

В результате для данной координаты потока излучения постоянной мощности термоэлектретное и фотовольтаическое поля суммируются, при этом отрицательное электретное поле компенсируется положительным полем фотовольтаического эффекта.

Пример №1. Поток излучения постоянной мощности перемещается по направлению полярной оси 6 кристалла 4, с размерами: площадь поверхности меньше 4 мм², толщина меньше 0,5 мм. При этом величина напряженности термоэлектретного поля остается постоянной, величина напряженности фотовольтаического поля увеличивается от минимального значения (почти ноль) до максимального значения, а величина результирующей напряженности электрического поля изменяется по линейной зависимости. При величине напряженности термоэлектретного поля, превышающей величину напряженности фотовольтаического поля, значение результирующей напряженности становится отрицательным и уменьшается от максимального значения до нуля. При величине напряженности термоэлектретного поля, не превышающей величину напряженности фотовольтаического поля, значение результирующей напряженности становится положительным и увеличивается от нуля до максимального значения.

Результирующая напряженность электрического поля создает на электродах 5 соответствующую разность потенциалов, которая изменяется в зависимости от напряженности результирующего электрического поля от отрицательного значения, проходя через ноль, до положительного значения.

Изменение разности потенциалов имеет линейную зависимость от координаты потока излучения постоянной мощности. В чувствительном элементе 1 точки, в которых величина разности потенциалов равняется нулю, образуют линию, проходящую через центр поверхности кристалла 4 в направлении оси Y вдоль полярной оси 6 чувствительного элемента 1. В чувствительном элементе 2 точки, в которых величина разности потенциалов равняется нулю, образуют линию, проходящую через центр поверхности кристалла 4 в направлении оси Х вдоль полярной оси 6 чувствительного элемента 2. Линии, которым соответствуют разности потенциалов, равные нулю по оси Х и по оси Y, пересекаются в центре входной грани кристалла 4.

С электродов 5 чувствительного элемента 1 разность потенциалов данной точки входной грани кристалла 4 поступает в блок регистрации координаты 7 по оси X. С электродов 5 чувствительного элемента 2 разность потенциалов данной точки входной грани кристалла 4 поступает в блок регистрации координаты 8 по оси Y.

Координаты потока излучения постоянной мощности по осям X, Y определяются по предварительно полученной градуировочной зависимости величины разности потенциалов в направлении полярной оси 6 от длины кристалла 4. По величине сигнала с блока регистрации координаты 7 определяется координата потока излучения по оси X. По величине сигнала с блока регистрации координаты 8 определяется координата потока излучения по оси Y.

Пример №2. Поток излучения постоянной мощности перемещается по направлению полярной оси 6 кристалла 4 с размерами, превышающими площадь поверхности 4 мм² и толщину 0,5 мм. При этом величина напряженности термоэлектретного поля остается постоянной, величина напряженности фотовольтаического поля увеличивается от минимального значения до максимального значения, а величина результирующей напряженности электрического поля изменяется по нелинейной зависимости. При величине напряженности термоэлектретного поля, превышающей величину напряженности фотовольтаического поля, значение результирующей напряженности становится отрицательным и уменьшается от максимального значения до нуля. При величине напряженности термоэлектретного поля, не превышающей величину напряженности фотовольтаического поля, значение результирующей напряженности становится положительным и увеличивается от нуля до максимального значения.

Результирующая напряженность электрического поля создает на электродах 5 соответствующую разность потенциалов, которая меняется в зависимости от напряженности результирующего электрического поля от отрицательного значения, проходя через ноль, до положительного значения.

Изменение разности потенциалов имеет нелинейную зависимость от координаты потока излучения постоянной мощности. В чувствительном элементе 1 точки, в которых величина разности потенциалов равняется нулю, образуют линию в направлении оси Y вдоль полярной оси 6 чувствительного элемента 1. В чувствительном элементе 2 точки, в которых величина разности потенциалов равняется нулю, образуют линию в направлении оси Х вдоль полярной оси 6 чувствительного элемента 2. Линии, которым соответствуют разности потенциалов, равные нулю по оси Х и по оси Y, пересекаются в точке, которая смещается к краю кристалла 4 в отрицательном направлении полярной оси 6 при увеличении его размеров.

С электродов 5 чувствительного элемента 1 разность потенциалов данной точки входной грани кристалла 4 поступает в блок регистрации координаты 7 по оси X. С электродов 5 чувствительного элемента 2 результирующая разность потенциалов данной точки входной грани кристалла 4 поступает в блок регистрации координаты 8 по оси Y.

Координаты потока излучения постоянной мощности по осям X, Y определяются по предварительно полученной градуировочной зависимости величины разности потенциалов в направлении полярной оси 6 от длины кристалла 4. По величине сигнала с блока регистрации координаты 7 определяется координата потока излучения по оси X. По величине сигнала с блока регистрации координаты 8 определяется координата потока излучения по оси Y.

Таким образом, заявляемое устройство позволяет определять координаты потока излучения постоянной мощности.

При падении потока излучения переменной мощности вдоль оси системы на входную грань чувствительного элемента 1, 2 проявляются термоэлектретный и фотовольтаический эффекты, как описано выше. Одновременно при переменной мощности потока излучения в кристалле 4 чувствительного элемента 1, 2 проявляется еще и пироэлектрический эффект (примеры 3, 4).

Поток излучения переменной мощности, проходя сквозь кристалл 4, частично поглощается в нем. Электрические заряды диполей, ориентированные вдоль полярной оси 6 кристалла 4, смещаются вдоль нее, отрицательные заряды в сторону отрицательного направления полярной оси 6, положительные в сторону положительного направления полярной оси 6. При этом в положительном направлении полярной оси 6 протекает пироэлектрический ток. Это приводит к появлению электрического поля, направленного вдоль полярной оси 6 кристалла 4, обеспечивающего на входной и выходной гранях кристалла 4 пироэлектрическую разность потенциалов. Такая же разность потенциалов создается на электродах 5.

Таким образом, при действии потока излучения переменной мощности на каждый чувствительный элемент 1, 2, в нем создается три электрических поля:

первое, обусловленное термоэлектретным эффектом (отрицательное поле); с направлением, совпадающим с осью системы; с величиной напряженности электрического поля, остающейся постоянной в любой точке входной грани кристалла;

второе, обусловленное фотовольтаическим эффектом (положительное поле); с направлением, совпадающим с положительным направлением полярной оси 6 кристалла 4; с величиной проекции напряженности электрического поля на ось системы, увеличивающейся в положительном направлении полярной оси 6 кристалла 4 от минимального значения до максимального значения;

третье, обусловленное пироэлектрическим эффектом (положительное поле); с направлением, совпадающим с положительным направлением полярной оси 6 кристалла 4; с величиной проекции напряженности электрического поля на ось системы, постоянной в положительном направлении полярной оси 6 кристалла 4.

В результате для данной координаты потока излучения переменной мощности термоэлектретное, фотовольтаическое и пироэлектрическое поля суммируются, при этом отрицательное электретное поле компенсируется положительным полем фотовольтаического эффекта и положительным полем пироэлектрического эффекта.

Пример №3. Поток излучения переменной мощности перемещается по направлению полярной оси 6 кристалла 4, с размерами: площадь поверхности меньше 4 мм², толщина меньше 0,5 мм. При этом величина напряженности термоэлектретного и пироэлектрического полей остается постоянной, величина напряженности фотовольтаического поля увеличивается от минимального значения (почти ноль) до максимального значения, а величина результирующей напряженности электрического поля изменяется по линейной зависимости. При величине напряженности термоэлектретного поля, превышающей величину суммы напряженностей пироэлектрического и фотовольтаического полей, значение результирующей напряженности становится отрицательным и уменьшается от максимального значения до нуля. При величине напряженности термоэлектретного поля, не превышающей величину суммы напряженностей пироэлектрического и фотовольтаического полей, значение результирующей напряженности становится положительным и увеличивается от нуля до максимального значения.

Результирующая напряженность электрического поля создает на электродах соответствующую разность потенциалов, которая меняется в зависимости от результирующей напряженности электрического поля от отрицательного значения, проходя через ноль, до положительного значения.

Изменение разности потенциалов имеет линейную зависимость от координаты потока излучения переменной мощности. В чувствительном элементе 1 точки, в которых величина разности потенциалов равняется нулю, образуют линию в направлении оси Y вдоль полярной оси 6 чувствительного элемента 1. В чувствительном элементе 2 точки, в которых величина разности потенциалов равняется нулю, образуют линию в направлении оси Х вдоль полярной оси 6 чувствительного элемента 2. Линии, которым соответствуют разности потенциалов, равные нулю по оси Х и по оси Y, пересекаются в точке, которая смещается к краю кристалла 4 в отрицательном направлении полярной оси 6 при увеличении частоты, переменной мощности потока излучения.

С электродов 5 чувствительного элемента 1 разность потенциалов данной точки входной грани кристалла 4 поступает в блок регистрации координаты 7 по оси X. С электродов 5 чувствительного элемента 2 разность потенциалов данной точки входной грани кристалла 4 поступает в блок регистрации координаты 8 по оси Y.

Координаты потока излучения постоянной мощности по осям Х и Y определяются по предварительно полученной градуировочной зависимости величины разности потенциалов в направлении полярной оси 6 от длины кристалла 4. По величине сигнала с блока регистрации координаты 7 определяется координата потока излучения по оси X. По величине сигнала с блока регистрации координаты 8 определяется координата потока излучения по оси Y.

Пример №4. Поток излучения переменной мощности перемещается по направлению полярной оси 6 кристалла 4 с размерами, превышающими площадь поверхности 4 мм² и толщину 0,5 мм. При этом величина напряженности термоэлектретного и пироэлектрического полей остается постоянной, величина напряженности фотовольтаического поля увеличивается от минимального значения до максимального значения, а величина результирующей напряженности электрического поля изменяется по нелинейной зависимости. При величине напряженности термоэлектретного поля, превышающей величину суммы напряженностей пироэлектрического и фотовольтаического полей, значение результирующей напряженности становится отрицательным и уменьшается от максимального значения до нуля. При величине напряженности термоэлектретного поля, не превышающей величину суммы напряженностей пироэлектрического и фотовольтаического полей, значение результирующей напряженности становится положительным и увеличивается от нуля до максимального значения.

Результирующая напряженность электрического поля создает на электродах 5 соответствующую разность потенциалов, которая изменяется в зависимости от результирующей напряженности электрического поля от отрицательного значения, проходя через ноль, до положительного значения.

Изменение разности потенциалов имеет нелинейную зависимость от координаты потока излучения переменной мощности. В чувствительном элементе 1 точки, в которых величина разности потенциалов равняется нулю, образуют линию в направлении оси Y вдоль полярной оси 6 чувствительного элемента 1. В чувствительном элементе 2 точки, в которых величина разности потенциалов равняется нулю, образуют линию в направлении оси Х вдоль полярной оси 6 чувствительного элемента 2. Линии, которым соответствуют разности потенциалов, равные нулю по оси Х и по оси Y, пересекаются в точке, которая смещается к краю кристалла 4 в отрицательном направлении полярной оси 6 при увеличении его размеров и увеличении частоты переменной мощности потока излучения.

С электродов 5 чувствительного элемента 1 разность потенциалов данной точки входной грани кристалла 4 поступает в блок регистрации координаты 7 по оси X. С электродов 5 чувствительного элемента 2 результирующая разность потенциалов данной точки входной грани кристалла 4 поступает в блок регистрации координаты 8 по оси Y.

Координаты потока излучения постоянной мощности по осям Х и Y определяются по предварительно полученной градуировочной зависимости значения результирующей разности потенциалов в направлении полярной оси 6 от длины кристалла 4. По величине сигнала с блока регистрации координаты 7 определяется координата потока излучения по оси X. По величине сигнала с блока регистрации координаты 8 определяется координата потока излучения по оси Y.

Таким образом, заявляемое устройство позволяет определять координаты потока излучения переменной мощности.

При ориентации полярной оси кристалла к его входной грани менее 2° измерить координаты потока излучения не представляется возможным. Это обусловлено тем, что фотовольтаическая разность потенциалов на электродах практически отсутствует и точка, в которой результирующая разность потенциалов равна нулю, исчезает за счет малости величины напряженности фотовольтаического поля по сравнению с термоэлектретным.

При ориентации полярной оси кристалла к его входной грани больше 5° устройство работает с большей погрешностью, чем прототип. Это обусловлено тем, что фотовольтаическая разность потенциалов становится значительно больше, чем при ориентации полярной оси кристалла к его входной грани в диапазоне 2°-5°, и точка, в которой результирующая разность потенциалов равна нулю, исчезает за счет малости величины напряженности термоэлектретного поля по сравнению с фотовольтаическим.

При концентрации примеси Fe в LiNbO₃ меньше 0,3% весовых величина напряженности термоэлектретного поля вдоль полярной оси кристалла изменяется, т.е. не остается постоянной, что снижает точность определения координат потока излучения заявляемого устройства.

При концентрации примеси Fe в LiNbO₃ больше 0,5% весовых кристалл становится непрозрачным и свет не проходит через первый чувствительный элемент. Определение координат становится невозможным.

При проведении лабораторных испытаний заявляемого устройства в качестве источника излучения использовался гелий-неоновый лазер ЛГН-2, в качестве чувствительного элемента кристалл ниобата лития, легированный ионами железа концентрацией 0,3 весовых % с электродами из хрома (А₁=4,25 эВ) и алюминия (А₂=4,58 эВ). В качестве блока регистрации координаты потока излучения использовался микроконтроллер AT90S8535-4PI со встроенным АЦП с выходом по последовательному порту на ПК, по которому определялась координата по осям X, Y.

Лабораторные испытания проводились с потоком излучения постоянной (п.1-8 табл.) и переменной мощности (п.9-16 табл.).

Результаты измерений в зависимости от размеров кристалла чувствительного элемента, ориентации полярной оси кристалла относительно его входной грани и режима облучения приведены в таблице.

Как показали результаты испытаний, заявляемое устройство позволяет определять координаты потока излучения как постоянной, так и переменной мощности с помощью кристаллов различных размеров.

При этом по сравнению с прототипом точность определения координат потока излучения переменной мощности увеличивается в 1,8-2,2 раза, а для потока излучения постоянной мощности - в 2,4-3,6 раза.

Табл.№п/пПлощадь, толщина, уголАбсолютная погрешность, мкм1.S=2 мм², d=0,3 мм, α=2°. Поток излучения постоянной мощности.602.S=2 мм², d=0,3 мм, α=1,5°^{Поток излучения постоянной мощности.}923.S=2 мм², d=0,3 мм, a=5°. Поток излучения постоянной мощности.594.S=2 мм², d=0,3 мм, α=5,5° Поток излучения постоянной мощности.915.S=9 мм², d=1 мм, α=2°. Поток излучения постоянной мощности.816.S=9 мм², d=1 мм, a=1,5°. Поток излучения постоянной мощности.1127.S=9 мм², d=1 мм, α=5°. Поток излучения постоянной мощности.808.S=9 мм², d=1 мм, α=5,5°. Поток излучения постоянной мощности.1139.S=2 мм², d=0,3 мм, α=2°. Поток излучения переменной мощности.10210.S=2 мм², d=0,3 мм, α=1,5°. Поток излучения переменной мощности.13311.S=2 мм², d=0,3 мм, α=5°. Поток излучения переменной мощности.10112.S=2 мм², d=0,3 мм, α=5,5°. Поток излучения переменной мощности.13013.S=9 мм², d=1 мм, α=2°. Поток излучения переменной мощности.12114.S=9 мм², d=1 мм, α=1,5°. Поток излучения переменной мощности.15315.S=9 мм², d=1 мм, α=5°. Поток излучения переменной мощности.12216.S=9 мм², d=1 мм, α=5,5°. Поток излучения переменной мощности.15217.S=80 мм², d=0,5 мм, α=90° нелегированный кристалл ниобата лития (прототип)223

Источники информации

1. А.С. №570320 СССР, МПК 3 G01J 5/26. Позиционно-чувствительное пироэлектрическое устройство / О.В.Елфимов, Б.П.Иванов, Л.С.Кременчугский, С.К.Скляренко (СССР); - №2352215/25; заяв. 26.04.76, опубл. 23.06.81, бюл. №23.

2. А.С. №684339 СССР, МПК 2 G01J 5/58. Координатно-чувствительный пироэлектрический приемник излучения / С.К.Скляренко, Л.С.Кременчугский, О.В.Елфимов, В.И.Стукало, О.А.Росновский, А.М.Бардюков, М.Э.Берг (СССР); Опытное производство при Институте физики АН Украинской ССР (СССР). - №2400987/18; заяв. 06.09.76, опубл. 05.09.79, бюл. №33.

Изобретение относится к радиационной пирометрии. Приемник излучения содержит два чувствительных элемента сэндвичного типа, установленных перпендикулярно оси оптической системы, совпадающей с направлением потока излучения, и измерительное устройство с двумя блоками регистрации координат, причем каждый чувствительный элемент выполнен в виде плоскопараллельной пластинки из сильнолегированного сегнетоэлектрического кристалла класса 3m с полупрозрачными электродами с различной работой выхода. Полярные оси кристаллов расположены под углом 2°-5° к их входным граням и ориентированы взаимно перпендикулярно, а проекции полярных осей на ось оптической системы направлены противоположно потоку излучения. Электрод с меньшей работой выхода металла контактирует с входной гранью кристалла, а электрод с большей работой выхода металла - с его выходной гранью. Технический результат заключается в расширении функциональных возможностей за счет определения координат потока излучения не только переменной, но и постоянной мощности, а также в повышении точности определения координат потока излучения переменной мощности. 1 табл., 1 ил.

Координатно-чувствительный приемник излучения, содержащий два чувствительных элемента сэндвичного типа, установленных перпендикулярно оси оптической системы, совпадающей с направлением потока излучения, и измерительное устройство с двумя блоками регистрации координат, причем каждый чувствительный элемент выполнен в виде плоскопараллельной пластинки из сегнетоэлектрического кристалла класса 3m с электродами, их полярные оси ориентированы взаимно перпендикулярно, а каждый блок регистрации координат электрически связан с соответствующими электродами чувствительного элемента, отличающийся тем, что в качестве сегнетоэлектрического кристалла класса 3m выбран сильнолегированный кристалл, в каждой пластинке полярная ось кристалла направлена под углом 2-5° к входной грани кристалла, направление проекции которой на ось оптической системы ориентировано противоположно потоку излучения, электроды каждого чувствительного элемента выполнены полупрозрачными из металлов с различной работой выхода и чувствительные элементы установлены последовательно, при этом электрод с меньшей работой выхода металла контактирует с входной гранью кристалла, а электрод с большей работой выхода металла - с его выходной гранью.