СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ХАРАКТЕРИСТИК ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ ОСВЕЩЁННОСТИ ПОВЕРХНОСТИ ОТ ИСТОЧНИКОВ ИЗЛУЧЕНИЯ И СИСТЕМА ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 2024 года по МПК G01J1/04 

Изобретение относится к области метрологии характеристик облучённости (энергетической освещённости) поверхности от различных источников излучения в диапазоне от 200 нм., и предназначено для использования в измерениях энергетических и спектральных характеристик, определения энергетической экспозиции облучённости, а также реализации иных методов, где требуются измерения и расчёты энергетических и спектральных характеристик энергетической освещённости.

Развитие высокотехнологичных процессов в производстве широкого спектра продукции - полупроводниковых изделий, изделий точной механики, измерительных приборов, пищевых продуктов, химических соединений, фармакологической продукции и т.п. требует формирования соответствующих условий на указанных производствах, в частности, т.н. «чистых помещений» и цехов с определёнными параметрами освещения. К последнему относятся как характеристики освещённости для работы персонала, так и энергетическая экспозиция или параметры облучённости производимых изделий или исходных материалов для их производства, поскольку большинство из них в отмеченных выше секторах высокотехнологичных производств имеют крайне высокую чувствительность к такому облучению, а некоторые материалы или готовые изделия (например, в фармакологии) могут изменять свои свойства и приходить в негодность. Таким образом, в большинстве случаев, на таких производствах существуют жёсткие нормы по ограничению облучённости поверхности зон, контактирующих с указанными материалами. В ряде случаев нормированию подвергается не общая облучённость, а энергетическая освещённость на отдельных длинах волн (спектральная плотность энергетической освещённости - СПЭО) или их коротких диапазонах, где фоточувствительность материалов особенно критична. В некоторых случаях облучённость ограничивается указанием экспозиции излучения или суммарной энергией облучения за определённое время. В любом из отмеченных вариантов (а также иных случаях, не перечисленных здесь), для проверки соответствия нормам, а также для оценки параметров освещения, требуется измерять характеристики облучённости (энергетической освещённости) непосредственно на месте производства. Для этого используются различные радиометры, спектрорадиометры или экспонометры. Однако, в подавляющем большинстве случаев, эти довольно распространённые приборы не могут быть использованы ввиду, например, достаточно малых величин нормируемой облучённости или СПЭО на отдельных длинах волн (которые также нужно измерить с высокой точностью). Так, для рядового фармакологического производства, все помещения, где идёт хранение сырья, материалов, их подготовка, разработка и непосредственное производство подавляющего большинства препаратов, поверхности, на которых расположено производственное оборудование, должны иметь СПЭО не более чем 1 нВт/см²/нм. Решить подобную метрологическую задачу оказывается непросто если нет высокочувствительного и высокоточного оборудования, имеющего также необходимую прослеживаемость к эталонной базе и которое может быть без усилий перемещено в зону измерений и использовано в любой точке упомянутого особо чистого помещения.

Задача, решаемая при создании заявленного технического решения состоит в создании доступного способа измерения энергетической освещённости, СПЭО или энергетической экспозиции облучённости в динамическом диапазоне от 10^-10 Вт/см²/нм или в неселективном варианте - от 10^-6 Вт/м² от излучения любых источников в диапазоне длин волн более 200 нм, а также в усовершенствовании традиционных методов измерения параметров облучения применительно к источникам с любым спектральным распределением мощности излучения, возможности применения их при создании стандартов на методы и технические требования.

Технический результат, достигаемый при решении такой задачи состоит в существенном повышении точности, скорости и динамического диапазона измерений указанных характеристик, и вместе с тем, в упрощении и высокой унификации процесса измерения энергетической величины и/или спектрального состава источников излучения и производимой ими облучённости поверхности, как следствие - в более точном расчёте производных величин на основе полученных данных.

Для достижения поставленного результата предлагается способ определения параметров облученности поверхности от источника излучения, включающий предварительное размещение на такой поверхности спектрального прибора и радиометрической головки, последующее облучение поверхности излучением длиной волны не менее 200 нм, и определение параметров спектральной плотности энергетической освещённости поверхности (СПЭО), при этом входные отверстия спектрального прибора и радиометрической головки располагают соосно, с минимально возможным расстоянием между ними, а радиометрическую головку используют без насадки или т.п. дополнительных элементов.

Для достижения поставленного результата предлагается также система определения параметров облученности поверхности от источника излучения, содержащая спектральный прибор и радиометрическую головку, входные отверстия которых расположены соосно, с минимально возможным расстоянием между ними, а также средство преобразования и обработки световых величин (колориметрических характеристик, силы света, освещённости) от измеряемого источника излучения по результатам получения измерений, поступающих от упомянутых прибора и головки, при этом радиометрическая головка выполнена без насадки или т.п. подобных дополнительных элементов.

Сущность заявленного решения поясняется с отсылками на фиг.1 с принципиальной схемой радиометрической головки, фиг.2 с общей схемой измерения и фиг.3 с принципиальной схемой системы для реализации заявленного решения.

Идеология, заложенная в основе заявленного технического решения, состоит в нетривиальном использовании радиометрической головки и спектрометра. В предлагаемом решении радиометрическая головка используется исключительно без каких-либо диффузионных насадок, концентраторов излучения, фильтров или иных подобных аксессуаров, когда излучение попадает непосредственно на чувствительную приемную площадку (фотодиод) головки - см. Фиг. 1. В результате, по сути, радиометрическая головка измеряет энергетическую силу света, поскольку её площадь ничтожна по сравнению с расстоянием измерения и размерами излучателя, а угол «зрения» может быть минимальным, однако приходящаяся на эту малую площадку доля потока излучения dФ, стремящаяся к 0 (dФ → 0) рассчитывается с учётом площади этой площадки. Таким образом, радиометрическая головка, расположенная в плоскости измерения, являясь элементарной частью всей облучаемой площади, значение энергетической освещённости которой необходимо измерить (например, на производстве), позволяет считать, что в данной точке или малой локальной области около неё, облучённость (или СПЭО) составляет измеренную величину. Как упоминалось ранее, вследствие ничтожно малой площади головки (50-80 мм²), можно производить такие измерения с точностью до её размеров, что является в ряде случаев весьма важным и, в то же время, невозможным для реализации иными существующими на практике методами. К достоинствам такого применения можно отнести также не имеющуюся нигде ранее возможность измерения облучённости от излучателей в различном направлении, поскольку измеряемая радиометром величина изначально является векторной, обусловленной направлением - см. Фиг. 2 а, б. Т.о. предложенное техническое решение позволяет не только измерять обозначенные параметры облучённости или энергетической экспозиции, но и с высокой точностью определять эти характеристики от облучателей с различных направлений.

Существенным и крайне выгодным является полная независимость получаемых характеристик от расстояния фотометрирования, т.е. от расстояния от плоскости измеряемой облучённости до источника излучения.

Техническая реализация

Со ссылкой на фиг.3, техническая реализация заявленного решения возможна посредством системы, в общем виде содержащей радиометр 1, выход которого связан с амперметром 2, расположенный в непосредственной близости с радиометром спектральный прибор - световод 3, выход которого связан с спектрометром 4, и средства преобразования и обработки результатов измерения в виде АЦП 5 и компьютера 6. Суммарную от всего спектра излучения облучённость измеряют радиометрической головкой с известной абсолютной спектральной характеристикой чувствительности [А/Вт*нм] с последующим разложением измеренной мощности излучения в спектр. При указанных условиях известно, что энергетическая освещённость пропорциональна приходящему на площадку радиометра потоку излучения, создающему облучённость, а энергетическая освещенность Е рассчитывается с учётом площади чувствительной части радиометрической головки (1):

E = Ф/S [Вт/м²] (1)

где Ф - поток излучения, Вт

S- площадь чувствительной приемной площадки головки, м²;

Спектральным прибором измеряют относительное распределение спектра излучения и рассчитывается поправочный коэффициент фотометрической головки К (2), отражающий долю составляющих спектра исследуемого источника E(λ) в спектре чувствительности головки Λ(λ) (в формуле (2) для примера ограничение по спектру выбрано 1100 нм, но это необязательное условие: нижняя и верхняя границы спектра ограничиваются только возможностями радиометрического датчика и спектрометра):

(2)

Коэффициент преобразования радиометрической головки получают умножением К на коэффициент преобразования в максимуме спектральной чувствительности головки S^p_max,.

С учётом измерения фототока радиометрической головки, мощность излучения, приходящаяся на площадку радиометра P_p рассчитывается по формуле (3):

P_p = i_f /(K* S^p_max), Вт, (3)

где i_f - фототок радиометрической головки, А;

S- площадь чувствительной приемной площадки головки, м²;

К - коэффициент, полученный по (2);

S^p_max - коэффициент преобразования в максимуме чувствительности головки, А/Вт.

Рассчитанное значение мощности излучения P_p раскладывается в измеренный ранее с помощью спектрометра спектр по d(λ) с получением СПЭО [Вт/м²/нм]. Измеренный спектр излучения может быть использован для расчётов колориметрических характеристик осветительных приборов при работе в видимом диапазоне, а полученная (измеренная) энергетическая облучённость преобразована в значение силы света от осветительной установки в измеряемом направлении по (4):

(4)

где P_p - мощность излучения, приходящаяся на площадку радиометра

Φ_v - элементарный световой поток, образующий силу света I, пропорциональную Φ_v /dQ, с учётом, что элементарный телесный угол в нашем случае dQ → 0

V(λ) - относительная спектральная световая эффективность монохроматического излучения для дневного зрения.

Изобретение относится к области измерительной техники и касается способа определения параметров облученности поверхности от источника излучения. Способ включает предварительное размещение на такой поверхности спектрального прибора и радиометрической головки, последующее облучение поверхности излучением длиной волны не менее 200 нм, и определение параметров спектральной плотности энергетической освещённости поверхности. При этом входные отверстия спектрального прибора и радиометрической головки располагают соосно, с минимально возможным расстоянием между ними. Радиометрическая головка выполнена таким образом, что излучение от поверхности попадает непосредственно на чувствительную приемную площадку радиометрической головки. Технический результат состоит в существенном повышении точности и динамического диапазона измерений энергетической освещённости. 2 н.п. ф-лы, 3 ил.

1. Способ определения параметров облученности поверхности от источника излучения, включающий предварительное размещение на такой поверхности спектрального прибора и радиометрической головки, последующее облучение поверхности излучением длиной волны не менее 200 нм, и определение параметров спектральной плотности энергетической освещённости поверхности (СПЭО), при этом входные отверстия спектрального прибора и радиометрической головки располагают соосно, с минимально возможным расстоянием между ними, при этом радиометрическая головка выполнена таким образом, что излучение от поверхности попадает непосредственно на чувствительную приемную площадку радиометрической головки.

2. Система определения параметров облученности поверхности от источника излучения, содержащая спектральный прибор и радиометрическую головку, входные отверстия которых расположены соосно, с минимально возможным расстоянием между ними, а также средство преобразования и обработки световых величин от измеряемого источника излучения по результатам получения измерений, поступающих от упомянутых прибора и головки, при этом при этом радиометрическая головка выполнена таким образом, что излучение от поверхности попадает непосредственно на чувствительную приемную площадку радиометрической головки.