Измеритель мощности теплового излучения Советский патент 1993 года по МПК G01J5/22 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения мощности теплового излучения в широкой области спектра.

Цель изобретения - повышение чувствительности и обнаружительнсй способности за счет поддержания рабочей точки охлаждаемого болометра в области максимума зависимости коэффициен;та преобразования от температуры.

На фиг,1 дана структурная схема измерителя мощности теплового излучения; на фиг.2 приведены кривые зависимости относительных значений чувствительности и сопротивлениясверхпроводящегоболометрического приемнике от температуры.

Измеритель мощности теплового излучения содержит расположенные я оптической последовательности модулятор 1, предназначенный для прерывания измеряемого потока излучения, и охлаждаемый болометр 2, являющийся приемником теплового излучения, с устройством подогрева 3, электрически соединенные пред- усилитель 4, вход которого присоединен к охлаждаемому болометру 2, усилитель 5, первый синхронный детектор 6 и блок регистрации, предназначенные для усиления и обработки полезного сигнала, датчик 8 опорного напряжения, вход которого присоединен к модулятору 1, а выход - к первому фазовращателю 9, выход которого соединен с вторым входом первого синхронного детектора 6. предназначенным для формирования сигналов управления первым фазовращателем 9 и первым синхронным детектором 6, а также источник тест-сигнала 10, первый выход которого присоединен к устройству подогрева 3, а второй - к удвоителю частоты 11, который предназначен для выработки сигналов с удвоенной частотой по отношению к частоте тест-сигнала, эторой фазовращатель 12, вход которого соединен с выходом удвоителя частоты, а выход - с первым входом синхронного детектора 13, избирательный усилитель 14, вход которого соеду нен с выходом предусителя 4, а выход - с вторым входом второго синхронного .детектора 13, которые предназначены для установления рабочей точки в области перегиба кривой зависимости сопротивления или в области максимума зависимости чувствительности болометра 2 от температуры, и усилитель 15 разностного сигнала, вход которого соединен с выходом второго синхронного детектора 13, а выход -- с устройством подогрева 3, предназначенный для питания током устройства подогрева.

Измеритель р,збот8ет следующим образом. Охлаждаемый болометр 2 находится при опре,Ц8лениой температуре, соотоетст- вую,цей точке перегиба ка кривой зависи- 54ост1л сопротивления R сверхпроводящего перехода (кривая и на фиг.2) и максимуму на зависимости чувствительности от температуры Т (кривая б на фиг.2). Измеряемое излучение перерывается модулятором 1 м поступает на охлаждаемый болометр.2, который развивает сыгиап на чйстоте модуляdR

ции fM, пропорциональной крутизне

и Т

Этот сигнал после предусилителя 4 и.усили5 теля 5 поступает нз вход первого синхронного детектора G, иа другой вход которого подают сфззированный первым фазовращателем 9 опорный сигнал с датчика 8 опорного напряжения. На синхронного

0 детектор,э 6 выделяется постоянное напряжение, которое далее идет в блок регистрации 7. Одновре1менно с измеряемым излучением на устройство подогрева 3 охлаждаемого болометра подают пе|эеменный

Ei сигнал на частоте fi от источника тест-сигнала 10, которым служит генератор переменного тока-частоты IT. Устройство подогрева работает с начальным током cмelJ 8ния для того, 4To5bi частота теплового сигнала равС мялась частоте тест-генератора fj. Если рабочая точка охлаждаемого болометра находится в точке перегиба, т.е. в наиболее Л ,1нейном участке, то под действием переменного нагреаз на выходе болометра появЬ ляется сигнал частотой f. При уходе рабочей точки от максимума она попадает на нелинейный участок, в результате чего одновременное ум.эньшением чувствительности в спектре выходного сигнала пояеля0 ются высшие гармоники, в том числе - втора.ч гармоника. Фаза второй гармоники по обе стороны от точки перегиба будет отличаться на 180°, так как вторая гармоника эквивалентна второй производной, а знак

5 87-орой производной по обе стороны от точки перегиба лзменяется. Таким образом, вторая гармоника несет информацию о на- правл-енигл ухода рабочей температуры от точки с максимальной чувствительностью,

0Сигналы второй гармонии частотой 2 т

поступают на избирательный усилитель 14, настроенмый на эту частоту, и на вход второго синхронного детектора 13. Опорный с-лгиал частотой 2Тт поступает с удвоителя

5 частоты 11, который удваивает частоту fr сигналов от источника тест-сигнала 10..Фа- зопраидатель 12 позволяет настраивать второй с и и .X р о ri и ы и детектор 13. При отклонении рабочей точки от полохения, со- отеетствугощего максимуr-iy чувствительности, на синхронный детектор 13 поступают сигналы, фазы которых будут отличаться на ±180° по отношению к опорному в зависимости от направления ухода рабочей точки. Соответственно выходной сигнал второго синхронного детектора будет иметь ту или иную полярность. Этот сигнал управляет усилителем 15 разностного сигнала, который является усилителем постоянного тока, имеющим в качестве нагрузки устройство подогрева 3. Через нагреватель пропускают начальный ток, с помощью которого осуществляется начальный подогрев охлаждаемого болометра и вывод его в заданную рабочую точку. Начальный ток регулируется пропорционально сигналу рассогласования, поступающего на вход усилителя 15, и таким образом происходит автоматическое регулирование чувствительности и удержание ее в положении максимума. По данной схеме было реализовано устройство на основе быстродействующего сверхпроводящего болометра, предназначенное для регистрации мощности теплового излучения. В качестве чувствительного элемента охлаждаемого болометра 2 служит пленка олова, устройство подогрева 3 - анодированное основание из алюминия с намотанным на него проволочным нагревателем из нихрома. Рабочая температура составляла 3,7 К. Болометр устанавливали в криостате с жидким гелием. Болометр имел постоянную времени 10 с, что позволяло работать на частотах модуляции до 10 кГц, Измеряемое излучение модулировалось на частоте 1 кГц дисковым модулятором 1. Датчиком опорного напряжения служил фотодиод, состыкованный с лампочкой накаливания, излучение которой прерывалось диском модулятора. Источник тест-сигнала 10 включал в себя генератор, работающий на частоте 6 Гц. Напряжение с генератора подавалось на устройство подогрева, расположенное на основании охлаждаемого болометра. Сопротивление устройства подогрева 30 Ом.

Удвоитель частоты 11 представляет собой узкополосный активный фильтр, который и з прямоугольных импульсов частоты 6 Гц выделяет вторую гармонику частотой 12 Гц. Фазовращатели 9 и 12 собраны по одинаковой схеме на трех транзисторах КП 303

и вращают фазу в пределах 0-200°. В схеме фазовращателя содержится формирователь опорного напряжения для синхронных детекторов 6 и 13.

5Полезный сигнал, развиваемый болометром на частоте 1 кГц, ус ливзлся малошумящим предусилителем 4. который собран на малошумящих полевых транзисторах и имел уровень шума на выходе 0 1,5-10 ВТц , коэффициент усиления 1000. Далее основной сигнал усиливался усилителем 5, собранным на микросхеме К 1404 Д1Б. Синхронные детекторы б и 13 собраны по ключевой схеме. Избиратель- 5 ный усилитель 14 настроен на частоту 12 Гц. Он собран ив микросхеме К 140 УД1Б по схеме с активным RC-фильтром, имеет козф- фициент усиления 20 и полосу 2 Гц. Усилитель разностного сигнала 15 представляет

0 собой усилитель постоянного тока, имеет крутизну 5 мА/В. Нагрузкой служит устройство подогрева болометра. Болометр может иметь два устройства подогрева. Блок регистрации представляет собой либо самопи5 шущий потенциометр типа КСП-4, Гц либо цифровой вольтметр, либо микроЭВМ.

Для нормальной работы измерителя необходимо подобрать оптимальным образом мощность теплового тест-сигнала, учитывая

0 при этом, чтоСы отношение сигнал/шум для тест-сигнала на выходе болометра было не хуже, чем требуемый коэффициент стабилизации, и чтобы тест-сигнал лежат в пределах линейного участка кривой перехода. В част5 нести,- для рассматриваемого примера мощность тест-сигнала составляет несколько мкВт.

Для отработки измерения чувствительности в обе стороны через устройство подо0 грева пропускают начальный ток. Начальная мош,ность выбирается так, чтобы возникающий от нее перегрев болометра можно было компенсировать понижением температуры в криостате. Если используетб ся Sn-болометр и работают с откачкой паров гелия, то понизить температуру можно дополнительной откачкой.

(56) Авторское СБИдетельство СССР 0 483591, кл.б 01 .К 17/00, 1973.

Авторское свидетельство СССР № 761851, М. кл. G 01 J 5/04, 1978.

7

Формула изобретен

ИЗМЕРИТЕЛЬ МОЩНОСТИ

ВОГО ИЗЛУЧЕНИЯ, содержащий расположенные в оптической последовательности модулятор и охлаждаемый болометр с устройством подогрева, электрически соединенные усилитель, первый синхронный детектор и блок регистрации, датчик опорного иапрлженил, оход которого присоединей к модулятору, и первый 10 удвоитель частоты тест-сигнала м избира- фазовращатель, выход которого соединен тельный усилитель, настроенный на удво- с вторым входом первого синхронного детектора, а вход - с выходом датчика опоренную частоту тест-сигнала, при этом вход предусилителя соединен с охлаждаемым болометром, а выход - с входом усилителя

ного напрлжения, а также источник

енную частоту тест-сигнала, при этом вход предусилителя соединен с охлаждаемым болометром, а выход - с входом усилителя

тест-сигнала, первый выход которого при- и избирательного усилителя, выход по- соединен к устройству подогрева, второй следнего подсоединен к второму иходу фазовращатель, соединенный с первым входом второго синхронного детектора.

второго синхронного детектора, а второй выход источника тест-сигнала - к входу удвоителя частоты, выход которого подсоединен к входу второго фазовращателя.

выход которого соединен с усялителе

8

разностного сигнала, связанным с устройством подогрева охлаждаемого болометра, отличающийся тем, что, с целью повышения чувствительности и обнаружительной способности за счет полцержания рабочей точки охлаждаемого болометра s области максимума зависимости коэффициента преобразования от температуры, а него дополнительно введены предусилитель.

удвоитель частоты тест-сигнала м избира- тельный усилитель, настроенный на удво-

енную частоту тест-сигнала, при этом вход предусилителя соединен с охлаждаемым болометром, а выход - с входом усилителя

и избирательного усилителя, выход по- следнего подсоединен к второму иходу

и избирательного усилителя, выход по- следнего подсоединен к второму иходу

второго синхронного детектора, а второй выход источника тест-сигнала - к входу удвоителя частоты, выход которого подсоединен к входу второго фазовращателя.

Редактор

Состав -лтель А,Ку;знецоз Техред М.Моргентал

Закгз 3190

ТиражПодписное

НПО Поиск Роспатента 113035, Москва, Ж-35, - аушскзя наб., 4/5

Производственно-издательский комбинат П,этент, г. Ужгород, ул.Гагарина, 101