Способ установки заданной облученности от МЧТ Российский патент 2019 года по МПК H01J40/14 H01L31/09 

Модель черного тела (МЧТ) - устройство, используемое в качестве источника излучения в целом ряде применений. Его спектральный диапазон излучения, спектральная мощность излучения и спектральная плотность фотонов весьма точно описываются математически. Эти устройства выпускаются различными производителями (MIKRON, IMP АС, ИОФ СО РАН и др.). Главными их характеристиками являются температура излучения, степень черноты в заданном спектральном диапазоне, форма и размеры излучающей площадки. Все МЧТ имеют две формы излучающих площадок - круглая и прямоугольная (квадратная). Размеры излучающих площадок МЧТ лежат в диапазонах: 1-80 мм - для круглых площадок и 100-300 мм - для квадратных площадок. Спектральный диапазон излучения всех МЧТ от 1,5-1,6 мкм до 15-25 мкм. Температурный диапазон излучения от - 40°C до 3000°C. Коэффициент черноты различных типов МЧТ находится в диапазоне 0,96-0,994 для указанного спектрального диапазона излучения. Все МЧТ паспортизованы и метрологически аттестованы по температуре, коэффициенту черноты и размеру излучающей площадки.

Основными устройствами, в которых применяется МЧТ, являются стенды измерения фотоэлектрических характеристик одиночных инфракрасных (ИК) фотоприемников и матричных ИК фотоприемных устройств (ИК МФПУ), стенды калибровки фотопреобразователей и др.

С помощью МЧТ устанавливают сигнальную и/или фоновую нагрузку на фотоприемник при измерении его амперваттной, вольтовой или температурной чувствительности, ограниченной шумом облученности, мощности, разности температур, а также удельной обнаружительной способности и динамического диапазона. Эта нагрузка (облученность) имеет два вида - фотонная или энергетическая облученности.

В настоящее время в связи с некоторыми практическими задачами возникает необходимость измерения вышеуказанных характеристик ИК полупроводниковых фотопреобразователей (ФЭПП) или ИК фотоприемных устройств (ФПУ) при заданной фотонной или энергетической облученности в заданном спектральном диапазоне. Отсюда возникла необходимость разработки способа установки заданной облученности от МЧТ в заданном спектральном диапазоне. В литературе отсутствует описание подобных способов.

Известен способ измерения энергетической облученности от МЧТ [Приемники излучения. Полупроводниковые фотоэлектрические и фотоприемные устройства, методы измерения фотоэлектрических параметров и определения характеристик, ГОСТ 17772, 1988, С. 3, Приложение 4, С. 52, формула (75)], включающий установку в МЧТ одной из двух фиксированных температур Т_МЧТ излучающей площадки (500 К или 1273 К), измерение размеров и расчет эффективной площади излучающей площадки МЧТ F, см², измерение расстояния от излучающей площадки МЧТ до плоскости, в которой будет определяться облученность, L, см, и расчет энергетической облученности Ф_р, Вт⋅см^-2, в данной плоскости по формуле

где σ - постоянная Стефена-Больцмана, σ=5,67⋅10^-12 Вт⋅см⋅К^-4;

ε_МЧТ - степень черноты излучения МЧТ;

ε₀ - степень черноты излучения заслонки МЧТ;

T₀ - температура излучения заслонки МЧТ, К.

Под эффективной площадью излучающей площадки МЧТ подразумевается площадь диафрагмы МЧТ, ограничивающей выходной световой поток.

Недостаток способа заключается в том, что выражение (1), указанное в ГОСТе, позволяет рассчитывать энергетическую облученность лишь в спектральном диапазоне [0; ∝] и не является точным в случае неравенства нулю второго члена выражения (1).

Недостатком указанного способа также является невозможность измерения энергетической облученности в заданном спектральном диапазоне и невозможность измерения фотонной облученности, необходимой для квантовых фотоприемников.

Недостатком способа является и использование лишь МЧТ с характерным размером излучающей площадки много меньшим расстояния до плоскости регистрации излучения. Это условие описывается следующей формулой (ГОСТ 17772,1988, С. 35, Приложение 3):

Целью настоящего изобретения является обеспечение возможности установки с максимально возможной точностью заданного значения энергетической или фотонной облученности в заданном спектральном диапазоне для любого фиксированного размера излучающей площадки МЧТ.

Поставленная цель достигается тем, что в способе установки заданной облученности от МЧТ, включающем установку температуры излучающей площадки, измерение размеров излучающей площадки МЧТ, юстировку плоскости излучающей площадки МЧТ и плоскости регистрации облученности перпендикулярно общей оси, соединяющей их центры, определяют спектр пропускания К_сф(λ) оптического канала между МЧТ и плоскостью регистрации облученности, определяют зависимость расстояния L от температуры Т_МЧТ или температуры Т_МЧТ от расстояния L до плоскости регистрации для заданной величины фотонной Ф_р или энергетической Ф_р облученности, зависящей от температуры Т_МЧТ, от расстояния L, от размеров и площади излучающей площадки МЧТ, от спектра пропускания К_сф(λ), и включают МЧТ в рабочий режим с установкой соответствующих друг другу значений температуры Т_МЧТ и расстояния до излучающей площадки L.

Поставленная цель достигается также тем, что зависимость расстояния L от температуры Т_МЧТ или температуры Т_МЧТ от расстояния L до плоскости регистрации определяется из выражения фотонной облученности Ф_n(l,T) или энергетической облученности Ф_р(l,T), которое имеет следующий вид:

или

где λ₁ и λ₂ - коротковолновая и длинноволновая границы заданного спектрального интервала;

- коэффициент излучения МЧТ, который для круглой излучающей площадки радиуса R определяется выражением

а для прямоугольной излучающей площадки с размерами а и b, определяется выражением

N(Т_МЧТ, λ₁, λ₂) - фотонная облученность, фотонов⋅см^-2⋅с^-1, от бесконечно большой излучающей площадки МЧТ со степенью черноты ε (λ) в заданном спектральном диапазоне [λ₁, λ₂] с коэффициентом пропускания оптического канала К_сф(λ), определяемая выражением

P(Т_МЧТ) - энергетическая облученность, Ватт⋅см^-2, от бесконечно большой излучающей площадки МЧТ со степенью черноты ε (λ), в заданном спектральном диапазоне [λ₁, λ₂] с коэффициентом пропускания К_сф(λ), определяемая выражением

h - постоянная Планка, 6,626⋅10^-34 Вт⋅с²;

k_B - постоянная Больцмана, k_B=1,38⋅10^-23 Вт⋅с⋅К^-1;

c - скорость света в вакууме, 2,998⋅10¹⁰ см⋅с^-1.

Поставленная цель достигается также тем, что интегральный коэффициент пропускания К_сф(λ) оптического канала между МЧТ и плоскостью регистрации облученности определяют произведением спектров пропускания оптических окон, а также полосовых и нейтральных светофильтров, установленных в нем.

Поставленная цель достигается также тем, что для автоматизированного получения необходимых для установки заданной облученности парных величин температуры Т_МЧТ и расстояния L, в виде зависимости расстояния L от температуры Т_МЧТ или температуры Т_МЧТ от расстояния L, применяют компьютерный блок, работающий в соответствии с заданной компьютерной программой, в которую вводят заданную величину фотонной или энергетической облученности, спектр пропускания оптического канала К_сф(λ), степень черноты излучения МЧТ ε(λ) и размеры излучающей площадки МЧТ.

Для подтверждения достижения цели рассмотрим МЧТ, например, с круглой излучающей площадкой радиуса R. Его излучение можно рассматривать, как излучение АЧТ со степенью черноты ε(λ) и с Ламбертовским распределением излучения [2]. Геометрия задачи показана на фиг. 1.

Излучающая площадка МЧТ S'(x',y') имеет Ламбертовское распределение излучения со своей поверхности и постоянную температуру Т_МЧТ. Плоскость S(x,y) параллельна плоскости излучающей площадки S'(x',y') и отстоит от нее на расстоянии L. Рассчитаем облученность в центральной точке плоскости регистрации облученности S(x,y).

Спроектируем бесконечно малый элемент dS' излучающей площадки МЧТ S'(x',y') на бесконечно малый элемент dS плоскости S(x,y). Проектирование проведем вдоль линии, соединяющей точку А(0,0) в которой необходимо получить заданную облученность, и произвольную точку В(x',y') излучающей площадки МЧТ S'(x',y').

Мощность излучения или количество квантов в единицу времени в спектральном интервале dλ, попадающее на элемент плоскости dS от элемента излучающей площадки МЧТ площадью dS' с температурой Т_МЧТ определяется следующим соотношением:

где АВ - длина прямой, соединяющей точку В(x',y') в плоскости S' и точку А(0,0) в плоскости S, см;

ϕ - угол между нормалью к плоскости S'(x',y') и прямой АВ;

M_2π(λ,Т) - спектральная энергетическая светимость МЧТ, Вт⋅см^-2⋅мкм^-1 или спектральная фотонная светимость МЧТ, фотон⋅см^-2⋅с^-1⋅мкм^-1, являющаяся под-интегральной функцией в выражениях (7) и (8).

Суммируя излучатели dS', получим, что спектральная плотность интегральной облученности бесконечно малого элемента dS плоскости S(x,y)) представляет собой интеграл по площади излучающей площадки МЧТ от элементарных источников dS', расположенных в ее плоскости.

Для нахождения cosϕ рассмотрим прямоугольный треугольник ABC на фиг. 1.

или

Теперь найдем cos²ϕ.

Подставим (12) и (13) в (10) и получим спектральную плотность облученности плоскости регистрации в точку А от излучения МЧТ:

где x',y' - координаты в плоскости излучающей площадки МЧТ.

Выражение для интегральной облученности в точке А получится интегрированием выражения (14) в заданном спектральном диапазоне [λ₁, λ₂]:

или

где К_излМЧТ(L) - коэффициент излучения МЧТ, определяемый выражениями (5) или (6).

Интеграл в выражении (16) описывается или выражением (7), или выражением (8).

Функции, стоящие под знаком интеграла в выражениях (7) и (8), выражают спектральную плотность излучения АЧТ, описанную в законе Планка [3], обозначенную в выражении (6) как М_2π.

Таким образом, величина облученности от МЧТ описывается выражениями (3) и (4), в которых значения К_излМЧТ(L) в прямоугольных и полярных координатах имеют вид, показанный в выражениях (5) и (6).

Применение соответствующего выражения определяется аналитическим видом описания формы излучающей площадки МЧТ. Коэффициент излучения является безразмерной величиной.

В случае нахождения в оптическом канале оптических элементов (оптические окна, полосовые светофильтры и нейтральные светофильтры) учитывается интегральный спектр пропускания К_сф(λ), равный произведению их спектров пропускания.

Изобретение поясняется следующими фигурами: фиг. 1 - геометрия задачи расчета облученности от МЧТ; фиг. 2 - график зависимости L(Т_АЧТ), при которых реализуется получение заданной энергетической облученности в плоскости МФЧЭ, равной 4⋅10^-4 Вт⋅см^-2 (спектральный диапазон 8-10,6 мкм); фиг. 3 - график зависимости L(Т_АЧТ), при которых реализуется получение заданной фотонной облученности в плоскости МФЧЭ, равной 7⋅10¹⁶ фот⋅см^-2⋅с^-1 (спектральный диапазон 8-10,6 мкм).

Пример реализации: Необходимо установить облученность матрицы фоточувствительных элементов (МФЧЭ) от МЧТ, равную 4⋅10^-4 Вт⋅см^-2. Имеем ФПУ, включающее МФЧЭ, расположенную в вакуумированном корпусе с оптическим окном, окруженную холодным экраном с диафрагмой, на которой расположен холодный светофильтр.

Форма диафрагмы обеспечивает обзор любым ФЧЭ всей излучающей площадки МЧТ. Суммарное пропускание оптического канала от МЧТ до МФЧЭ (произведение коэффициентов пропускания входного окна и светофильтра ФПУ) К_сф=0,88 в спектральном диапазоне от λ₁=8,0 мкм до λ₂=10,6 мкм.

МЧТ является серийным, имеет диапазон установки температуры от - 20°C до 150°C, радиус излучающей площадки R=25,5 мм, степень черноты МЧТ ε=0,99.

Установка заданной облученности выполняется следующим образом:

1. Устанавливаем МЧТ, например, на оптическую скамью.

2. Юстируем МЧТ так, чтобы ось, перпендикулярная его излучающей площадке и проходящая через ее центр, проходила через центр МФЧЭ.

3. Включаем ПЭВМ, запускаем рабочую программу, вводим заданную величину облученности Т_МЧТ=4⋅10^-4 Вт⋅см^-2, спектральную полосу пропускания светофильтра 8-10,6 мкм, суммарную величину пропускания оптического канала К_сф=0,88, диапазон рабочих температур МЧТ (370-420)К, радиус излучающей площадки МЧТ R=25,5 мм, степень черноты МЧТ ε=0,99.

4. Получаем с помощью рабочей программы ПЭВМ зависимость расстояния между плоскостью излучающей площадки МЧТ и плоскостью регистрации облученности (МФЧЭ) от температуры МЧТ при заданной величине облученности. Получаем график указанной зависимости для значений параметров, указанных ранее (см. фиг. 1).

5. Выбираем (вводим в ПЭВМ) величину расстояния между плоскостью излучающей площадки МЧТ и плоскостью МФЧЭ L=20 см.

6. Определяем (автоматическое определение) температуру МЧТ Т_МЧТ=396,5 К, которая обеспечивает получение энергетической облученности Р_МЧТ=4⋅10^-4 Вт⋅см^-2 в плоскости МФЧЭ (регистрации), отстоящей от МЧТ на расстоянии 20 см.

7. Устанавливаем определенное с помощью ПЭВМ расстояние от МЧТ до плоскости МФЧЭ L=20 см на оптической скамье.

8. Устанавливаем определенную с помощью ПЭВМ температуру Т_МЧТ=396,5 К и получаем точную заданную величину облученности в плоскости МФЧЭ. Цель достигнута.

Аналогичную процедуру можно выполнить и для установления заданной величины фотонной облученности. В этом случае ПЭВМ рассчитывает аналогичную задачу для фотонной облученности, описанной выражениями (3), (5), (6) и (7). В результате получим график,

Настоящее техническое решение позволит обеспечить заданную величину фотонной и энергетической облученности в плоскости регистрации (плоскость МФЧЭ) в любом заданном спектральном диапазоне, для любых типов МЧТ.

Модель черного тела (МЧТ) - устройство, используемое в качестве источника излучения в целом ряде применений, - стенды измерения фотоэлектрических характеристик одиночных инфракрасных (ИК) фотоприемников и матричных ИК фотоприемных устройств (ИК МФПУ), стенды калибровки фотопреобразователей. Способ установки заданной облученности от МЧТ включает установку температуры излучающей площадки, измерение размеров излучающей площадки МЧТ, юстировку плоскости излучающей площадки МЧТ и плоскости регистрации облученности перпендикулярно общей оси, соединяющей их центры, определяет спектр пропускания К_сф(λ) оптического канала между МЧТ и плоскостью регистрации облученности, определяет зависимость расстояния L от температуры Т_МЧТ или температуры Т_МЧТ от расстояния L до плоскости регистрации для заданной величины фотонной Ф_n или энергетической Ф_р облученности, зависящей от температуры Т_МЧТ, от расстояния L, от размеров и площади излучающей площадки МЧТ, от спектра пропускания К_сф(λ), и включает МЧТ в рабочий режим с установкой соответствующих друг другу значений температуры Т_МЧТ и расстояния до излучающей площадки L. Технический результат - возможность обеспечить заданную величину фотонной и энергетической облученности в плоскости регистрации в любом заданном спектральном диапазоне, для любых типов МЧТ. 3 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Способ установки заданной облученности от МЧТ, включающий установку температуры излучающей площадки, измерение размеров излучающей площадки МЧТ, юстировку плоскости излучающей площадки МЧТ и плоскости регистрации облученности перпендикулярно общей оси, соединяющей их центры, отличающийся тем, что определяют спектр пропускания К_сф(λ) оптического канала между МЧТ и плоскостью регистрации облученности, определяют зависимость расстояния L от температуры Т_МЧТ или температуры Т_МЧТ от расстояния L до плоскости регистрации для заданной величины фотонной или энергетической Ф_р облученности, зависящей от температуры Т_МЧТ, от расстояния L, от размеров и площади излучающей площадки МЧТ, от спектра пропускания К_сф(λ), и включают МЧТ в рабочий режим с установкой соответствующих друг другу значений температуры Т_МЧТ и расстояния до излучающей площадки L.

2. Способ установки заданной облученности от МЧТ по п. 1, отличающийся тем, что зависимость расстояния L от температуры Т_МЧТ или температуры Т_МЧТ от расстояния L до плоскости регистрации определяется из выражения фотонной облученности или энергетической облученности от температуры, размеров и площади излучающей площадки МЧТ, от расстояния, от спектра пропускания К_сф(λ), которое имеет следующий вид:

или

,

где λ₁ и λ₂ - коротковолновая и длинноволновая границы заданного спектрального интервала;

- коэффициент излучения МЧТ, который для круглой излучающей площадки радиуса R определяется выражением

,

а для прямоугольной излучающей площадки с размерами а и b определяется выражением

;

N(Т_МЧТ,λ₁,λ₂) - фотонная облученность, фотонов⋅см^-2⋅с^-1, от бесконечно большой излучающей площадки МЧТ со степенью черноты ε(λ) в заданном спектральном диапазоне [λ₁, λ₂] с коэффициентом пропускания оптического канала К_сф(λ), определяемая выражением

;

Р(Т_МЧТ) - энергетическая облученность, Ватт⋅см^-2, от бесконечно большой излучающей площадки МЧТ со степенью черноты ε(λ), в заданном спектральном диапазоне [λ₁, λ₂] с коэффициентом пропускания К_сф(λ), определяемая выражением

;

h - постоянная Планка, 6,626⋅10^-34 Вт⋅с²;

k_B - постоянная Больцмана, k_B=1,38⋅10^-23 Вт⋅с⋅К^-1;

с - скорость света в вакууме, 2,998⋅10¹⁰ см⋅с^-1.

3. Способ установки заданной облученности от МЧТ по пп. 1, 2, отличающийся тем, что интегральный коэффициент пропускания К_сф(λ) оптического канала между МЧТ и плоскостью регистрации облученности определяют произведением спектров пропускания оптических окон, а также полосовых и нейтральных светофильтров, установленных в нем.

4. Способ установки заданной облученности от МЧТ по пп. 1, 2, 3, отличающийся тем, что для автоматизированного получения необходимых для установки заданной облученности парных величин температуры Т_МЧТ и расстояния L, в виде зависимости расстояния L от температуры Т_МЧТ или температуры Т_МЧТ от расстояния L, применяют компьютерный блок, работающий в соответствии с заданной компьютерной программой, в которую вводят заданную величину фотонной или энергетической облученности, спектр пропускания оптического канала К_сф(λ), степень черноты излучения МЧТ ε(λ) и размеры излучающей площадки МЧТ.