Способ определения коэффициента поглощения твердых слабопоглощающих сильнорассеивающих материалов Советский патент 1990 года по МПК G01N21/59 

Изобретение относится к физике и связано с и с1едованием опги ческих свойств твердых слабошп-ющаюш-х снльнорассеиваюших материалов, таких как керамика, порошки, волокнистая теплоизо 1я ция и т д

Цель изобретения - повышение точ ности И(мерений коэффициента поглощения твердых слабопопощаюшич сильнорассе иваюшил материалов

На фиг 1 представлена схер.к устр(йства .ччя осуществления способа, на фиг 2 пас- положение образца в оправе

Устройство содержит источник колли мированного излучения, модулятор 2 интегрирующую сферу 3, экран (опрану) 4, в котором расположен исследуемый образен 5 (или эталон пропускания), приемник о излучения, защищенный шторкой 7 от прямого попадания пропущенного через образец или эталон излучения, усилитель 8 и вгорич ный прибор 9.

Для широкого класса полупрозрачных магериалов, таких как прессованные порошки, керамика, молочные стекла, в облас ти прозрачности коэффициенты по лощения

К ч диффузич получения D малы и не превышают величин ( соответственно

При таких 1начениях К и D получение достоверных .атов для вели чины К в репльтаге ремения обратной з. тачи на основе измеренных радиационных характеристик в зависимости от толщины рассеивающею слоя является чрезвычайно сложной задачей Так как отражательная способность слабо зависит как от К, так и от D, за.ыча определения последних становится п ю об счовленной Использовать измерения спектральной излхчаг мыюй способности при температурах 1U1 К практически невозможно, роско 1ъку из за Изкги ивнос ти план ковс KOI о изучении югрешность в измерениях BL жка ПоэП Му единственной возможностью получения информации о величине К в ыких материалах является I шерение ропускательных характеристик

/L cTaT04h,u, Иг1фо уативность экспери мента относи ч,но величи ы К при измере нии про: с e ibHuix cnocof ,i стеч набора разнотолшиьчь Х образцов быть дос ти1н(а пр| словииН с (Н толщина

(Л

ел

о со со J

образцов, z,-- K/D - коэффициент затухания). Отсюда следует, что для материалов с коэффициентом затухания и даже большими значениями при ограниченном радиусе образца существенная часть излучения будет выходить из боковой поверхности образца.

Пусть в центр торца цилиндрического образца радиуса р. и толщиной Н падает нормально к этому торцу луч радиуса рв. Назовем часть потока (по отношению к падающему) излучения, вышедшего через противоположный (выходной) торец цилиндрического образца торцовой, пропускательной способностью РИФ, а часть потока, вышедшего через боковую поверхность цилиндра, - боковой пропускательной способностью Рпик. Величины PfxiK и Р р могут быть рассчитаны из решения уровнения диффузии для объемной плотности энергии излучения в цилиндре. При ограниченном радиусе образца вследствие размытия пучка существенно уменьшаются полезные потоки пропущенного излучения через выходной торец и увеличиваются потоки через боковую поверхность. Для увеличения информативности эксперимента относительно коэффициента поглощения необходимо открывать боковую поверхность образца оптимальным образом.

Способ осуществляют следующим образом.

Цилиндрический образец радиусом р и толщиной Htc располагают в оправе во входном отверстии интегрирующей сферы 3. Боковая поверхность образца полностью находится в контакте с внутренней боковой поверхностью оправы, причем обращенные в сферу торцы образца и оправы находятся заподлицо с внутренней поверхностью сферы. Для большей информативности эксперимента относительно К толщину образца выбирают максимально большой, но такой, чтобы величина пропускательной способности Рс тЧ. была примерно на два порядка больше пороговой чувствительности измерений (когда полезный сигнал равен шуму).

Зная образца р. и падающего пучка р.., толщину образца Hw , а также используя предварительно имеющуюся информацию о коэффициенте диффузии излучения D, показателе преломления исследуемого материала п и двуполусферичес- ки.х коэффициентах отражения границ г, (i 1,2), гьо, (роль последних асимптотически мала), рассчитывают коэффициент поглощения К- материала из уравнения

Рт„„( , (°; Гор,

где РшР(Н№ , К) определяется выражением, приведенным в формуле изобретения.

Из указанных в формуле изобретения условий определяют значения толщины дополнительного образца и высоту оправки Нопр для этого образца. Производят изме- рение нормально-полусферической пропускательной способности нового образца, открын его боковую поверхность на расстояние Н Н-Нопр, при этом вся выступающая из оправки часть образца находится внутри интегрирующей сферы. Рассчитывают окончательную величину К, решая приведенное в формуле изобретения уравнение.

Пример осуществления способа.

Способ может быть использован для

слабопоглощающих сильнорассеивающих

материалов при выполнении условий

VK- D«I и VK/D- .

Пусть на длине волны 0,63 мкм необходимо провести исследование оптических свойств сильнорассеивающей слабопогл - щающей керамики, полученной спеканием из порошка чистого оксида алюминия Пористость керамики 88%, показатель преломления оксида алюминия на этой длине волны п 1,765. Полагаем, что значение 5 коэффициента диффузии излучения D полу чено из предварительных экспериментов и равно 1 см.

Значения двуполусферических коэффициентов отражения от внутренних границ 0 образца п, г2 и могут быть вычислены приближенно по достаточно грубой модели, так как в диффузионном пределе их величина слабо влияет на радиационные характеристики. В результате расчета получено

0

5

Г .к 0,5

Измерения нормально-полусферической пропускательной способности образцов проводят на установке, основными элемента0 ми которой являются интегрирующая сфера с внутренним 100 мм, а источник излучения - 1елий-неоновый лазер. Пороговая чувствительность экспериментальной установки имеет значение Р 5- Ю-5

Радиус луча источника излучения рв 0,1 см. Образец радиусом ,5 см размещают в оправке так, что боковая поверхность образца полностью находится в контакте с внутренней поверхностью

о оправки. Оправку вставляют во входное окно интегрирующей сферы так, что торцовые поверхности образца и оправки были бы заподлицо с внутренней поверхностью интегрирующей сферы. Для большей информативности эксперимента относительно пара5 метра К толщину образца Н° желательно выбирать настолько большей, итобы вел& чина пропускательной сип. о ности была , два порядка больше порои -ей чувствии-.,

ности установки. Величина толщины образца Hfc) определяется экспериментально изусловияРтоР(НЛ) ) Р, где Ртор Н )- нормально-полусферическая пропускатель- ная способность образца толщиной Hfo) радиуса ро. Полученные в эксперименте данные Р Ф при толщине Hto 0,69 см используют решения уравнения

Ртср (Н°, KJ Pтор.

Расчет дает значение 10

см

Из условий, приведенных в формуле изобретения, определяют значения толщины Н 1,93 см и высоты оправки ,16 см. На следующем этапе изготавливают обра- ,еи в вите ми inn шя ч н-ишй Н-1 ,(3 и ра ли,. пм .; . . p,i,.nai аюг

п опран1 i ,IK, I1 им.1 у M.I.I nt нее на расстояние Н -Н , 1,77 см.

Оправку размещают во входном отверс- 1ии сферы так, чтобы торцовая поверхность оправки была заподлицо с внутренней поверхностью сферы, а образен выступал за тоЈец оправки внутрь сферы на расстояние Н. Экспериментальное значение нормально-полусферической пропуска- тельной способности составило Рг - 6,99- . Точное значение К определяют, решая уравнение

Ртор (К) + Р«ок (K)PS .

Получено значение 1СГ5 .

Численные расчеты величин дают величину отношения погрешностей предложенного и известного способов, равную 0.3775.

Таким образом, как видно из расчета и как показывают сравнительные испытания, при одном и том же уровне измеряемой нормально-полусферической способности точность предложенного способа из- имерений коэффициента поглощения выше, чем точность прототипа в 2,61 раза

5

0

5

0

5

Формула и.юпре гения

Способ определения коэффициента поглощения твердых слабопоглощающих сильнорассеивающих материалов, заключающийся з том, что направляют излучение на входную торцовую поверхность образца, выполненного в виде цилиндра высотой . причем боковая поверхность цилиндра установлена в оптическом контакте с поглощающим экрано.1, регистрируют излучение, вышедшее через выходную торцовую поверхность образца. вычисли о1 про- пускательную способность образца и рассчитывают коэффициент но

г лощения К материала, причем исследуемый материал и толщина образца И ( JL удовлетворяют соотношениям КП«1. K/D- H i, де D - коэффициент диффузии излучения в образце, счличию- цийся тем, что, с целью повышения точности измерений, дополнительно направляют излучение на входную торцовую поверхность образца, выполненного в виде цилиндра высотой Н, причем часть его боковой поверхности высотой И-ч (|1,1Ч.Н) , от считываемой от входной торцовой поверхности, установлена в оптическом контакте с поглощающим экраном, регистрируют одновременно излучение, вышедшее через выходную торцовую поверхность и неэкра ниров;.|;ную часть боковой поверхпосщ образца, вычисляют с ммарную пропускатель- ную способность PI образца, а коэффициент поглощения К рассчитывают из уравнения

Рт,„(Н, К)+Рг.,-(Н, Н, . К)РГ.

где Р,,Р ( И. К) °Х С ехр (- tji)

Изобретение относится к технической физике и связано с исследованием оптических свойств твердых слабопоглощающих сильнорассеивающих материалов. Цель изобретения - повышение точности измерений. Предлагаемый способ решает задачу для случая, когда используются экспериментальные данные для пропускательной способности набора разнотолщинных образцов. В способе предлагается проводить измерения пропускательной способности, открыв оптимальным образом часть боковой цилиндрической поверхности образца, что значительно увеличивает информативность эксперимента относительно коэффициента поглощения и его достоверность. Даны соотношения, из которых находят оптимальные значения толщин образца и оправки, а также соотношение, по которому определяют значение коэффициента поглощения. 2 ил.

Ног.р , К)

16n2D

Стч

/.

Ь ,-, 1

-

+ (1 - h2 expdlonf. - ) ;

I, (xwpe/fo)/l, (xw)U +Vxyf;)l(1 ,Hl ,) - (1 , )(1 -fwh2)exp() ,

s«(|- +x JI/p.2)41 ,

ti 20(1 + )/(1-rfioKi

(l+r1)/(l-r,), .2;

- коэффициент затухания;

п - показатель преломления териала;

Стч

1

- Г(1 + Ь,)ехр( - 2 oxpl- H) +

5

г и гг f ,iB полусферические коэффициенты внутреннею отражения 1р„ниц для ВХ01НОЙ торцовой иове|)ности (i- 1 ), вы- хо торцевой поверхности (1 2) и боковой поверхности образца соответственно; i -корень характеристического уравнения

,, ) - ( Ti, РМ) 1 I i - О, 1о( Ь(ч)

нПни, |- (н, К-О+РМН, НОПР.КО) Э5

iPr.riH, К0)+Рбок(н, НОПР, к.) Р,

,шч Бесссля .вого и перко, порядка соответхг ГДЈ Ко значение коэффициента поглоще- веннония, рассчитанное по величине

Pfe

(j, - радиус . падающею на обрачец излучения.

(и --ради( образца,

причем размеры Н и Н образца предварите 1ьпо определяют и и.ювий

нПни, |- (н, К-О+РМН, НОПР.КО) Э5

Р - минимальное значение пропуска- тельной способности, при котором ,Qслучайная ошибка, обусловленная

шумами измерительной схемы, соизмерима с погрешностью измерений.