ИЗЛУЧАТЕЛЬ ИНФРАКРАСНЫЙ Российский патент 2011 года по МПК G01J3/00 

Излучатель инфракрасный относится к источникам инфракрасного излучения, применяемым в оптических инфракрасных абсорбционных газоанализаторах.

Параметры оптического инфракрасного абсорбционного газоанализатора в значительной степени определяются характеристиками источника инфракрасного излучения. Для оптимального применения инфракрасного газоанализатора при анализе газов, спектры поглощения которых расположены в длинноволновом участке спектра 8-11 микрометров, например хладонов, отравляющих, взрывчатых, наркотических и др. веществ необходим источник инфракрасного излучения, максимум спектра излучения которого расположен в этой области спектра. В инфракрасных газоанализаторах находят широкое применение излучатели, в которых нагретое тело является источником инфракрасного излучения.

Спектр излучения таких излучателей близок к спектру излучения черного тела (Криксунов Л.З. Справочник по основам инфракрасной техники. М., Сов. радио, 1978. УДК 621.384..3(031). Глава 3. Источники инфракрасного излучения).

Применение инфракрасного излучателя со спектром излучения, близким к спектру излучения черного тела, является неоптимальным для газоанализаторов, работающих в длинноволновой области спектра, вследствие того, что рабочая температура излучателей в инфракрасных газоанализаторах обычно находится в пределах 600-900°С, максимум излучения такого излучателя, в соответствии с законом Вина, будет находиться в диапазоне 3-4 микрометров.

При этом максимум излучения сдвинут в коротковолновую область спектра по отношению к участку спектра, где расположены линии поглощения вышеуказанных анализируемых газов и плотность спектра излучения в длинноволновом участке спектра будет значительно меньше, чем в зоне максимума спектра излучения, что снижает эффективность излучателя в длинноволновом участке спектра и затрудняет достижение высокой чувствительности и избирательности инфракрасного газоанализатора (Р.Хадсон. Инфракрасные системы. Издательство «Мир», 1972. УДК 621.384.3. Глава 2. Инфракрасное излучение, стр.22, Фиг 2.2. Спектральная плотность излучения абсолютно черного тела при некоторых температурах).

Цель изобретения - повышение эффективности и селективности инфракрасного излучателя для инфракрасного газоанализатора, работающего в длинноволновом участке спектра.

Эта цель достигается тем, что в качестве источника излучения используется нагретое тело, оптический материал которого имеет спектр поглощения, расположенный в области спектров поглощения анализируемых газов. В соответствии с законом Кирхгофа такое тело излучает также в той области, где имеется поглощение спектра. Поскольку спектр излучения такого излучателя занимает ограниченную полосу спектра излучения, определяемую оптическими свойствами материала, из которого изготовлено излучающее тело, то, по определению, такой излучатель называется селективным.

В качестве оптического материала для излучателя, предназначенного для работы в длинноволновом участке инфракрасного спектра 8-11 микрометров, применен монокристаллический сапфир - Al₂O₃, оптические свойства которого применимы для выполнения поставленной задачи.

Конструктивно излучатель представляет собой тонкий диск толщиной несколько десятых долей миллиметра, установленный по оси оптического канала, с расположенным по периферии нагревателем. Небольшая толщина излучателя выбрана из условия снижения уровня излучения в коротковолновой области спектра излучения. Выходное окно излучателя пропускает излучение от центральной части дискового излучающего элемента. Корпус излучателя закрывает нагревательный элемент так, чтобы поток излучения от него не попадал в оптический канал газоанализатора и не снижал селективность излучателя.

Так как дисковый излучатель излучает в обе стороны, то для того, чтобы поток излучения с обратной стороны не отражался от задней стенки корпуса и тем самым не ухудшал селективность, на ней выполнен рельеф с поглощающим покрытием и защищенный от конвективного нагрева и теплопроводности окном, прозрачным в широком диапазоне инфракрасного спектра, чтобы рельеф с поглощающим покрытием не отражал поток излучения и не служил источником вторичного инфракрасного излучения.

На Фиг.1 показана конструкция устройства.

Излучатель содержит корпус 1 с выходным окном 2, дисковый излучающий элемент 3, выполненный из монокристаллического сапфира.

На периферической части излучающего элемента расположен нагреватель 4, на который, через выводы 5, подается напряжение питания.

На задней стенке 6 излучателя выполнен рельеф 7 из поглощающего покрытия, не отражающего инфракрасное излучение.

Для предотвращения нагрева задней стенки, через теплопроводность и конвекцию, она защищена оптическим окном 8, прозрачным для инфракрасного излучения.

Устройство работает следующим образом.

Дисковый излучающий элемент 3 нагревается расположенным по периферии нагревателем 4. Вследствие высокой теплопроводности сапфира последний равномерно прогревается по всей площади. В соответствии со своими оптическими свойствами пластина 4 излучает в длинноволновом диапазоне инфракрасного спектра.

Поток инфракрасного излучения Ф1 выходит вдоль оси в направлении оптической схемы газоанализатора. Поток инфракрасного излучения Ф2 направлен в противоположную сторону. Для того чтобы поток Ф2 не отражался от внутренних поверхностей и не создавал искажения спектрального состава потока Ф1, на задней стенке корпуса излучателя 6 выполнен рельеф 7 из поглощающего покрытия, которое и поглощает поток Ф2.

Для предотвращения разогрева задней стенки за счет теплопроводности и конвекции установлено оптическое окно 8, прозрачное для инфракрасного излучения, но препятствующее разогреву поглощающей поверхности от теплопроводности газа и конвективного потока и возникновению вторичного потока излучения.

На Фиг.2 представлена экспериментально снятая спектральная характеристика инфракрасного излучателя, выполненного по настоящему изобретению. Спектральная характеристика излучателя соответствует цели изобретения. Из рассмотрения графика спектральной характеристики излучателя, излучающее тело которого нагрето до температуры 700 К, видно, что на нем практически отсутствует излучение до 4-5 микрометров, как раз в зоне расположения максимума излучения черного тела, что повышает энергетическую отдачу в длинноволновой области спектра и повышает эффективность работы газоанализатора в области спектра 8-11 мкм.

Изобретение относится к оптическому приборостроению. Инфракрасный излучатель, предназначенный для инфракрасных абсорбционных газоанализаторов, работающих в длинноволновом участке спектра 8-11 мкм, содержит в качестве излучающего тела тонкий диск из сапфира, с нагревателем, расположенным по периферии диска таким образом, чтобы излучение от нагревателя не попадало в выходное окно. Технический результат - повышение эффективности и селективности излучателя. 2 ил.

Инфракрасный излучатель, содержащий излучающее нагретое тело, корпус с выходным окном, через которое выходит инфракрасное излучение, отличающийся тем, что, с целью повышения эффективности и селективности инфракрасного излучателя в длинноволновой области спектра, излучающее тело выполнено в виде тонкого диска, расположенного по оси оптического канала и выполненного из монокристаллического сапфира с нагревателем, расположенным по периферии диска таким образом, чтобы поток инфракрасного излучения от нагревателя не попадал в выходное окно, при этом поток излучения с обратной стороны диска поглощается задней стенкой корпуса.