Способ контроля стабильности спектральной чувствительности спектрометра Советский патент 1993 года по МПК G01J3/22 

Изобретение относится к технической физике в части создания способов контроля стабильности спектральных параметров фотометрических приборов, а именно спектральной чувствительности спектрометра,и может быть использовано в метрологических комплексах, содержащих спектрометры, измеряющие потоки излучения светящихся объектов, таких как солнце, звезды, высокотемпературная плазма, получаемая в земных условиях для исследования стабильности этих потоков во времени, в тех случаях, когда окружающая среда или само излучение указанных объектов приводят к изменению спектральной чувствительности спектрометра в течение длительного срока эксплуатации.

Цель изобретения - повышение точности контроля временной стабильности спектральной чувствительности спектрометра в условиях,негативно влияющих на его чувствительность.

На фиг.1 представлено устройство для реализации способа в режиме измерения

спектрометром сигнала И , прямо пропорционального рабочему потоку; на фиг.2 представлено устройство для реализации способа в режиме измерения сигнала

2 , прямо пропорционального потоку вспо00СО ND

00 О

могательного источника, проходящего через торцевые оптические элементы этого источника с общим начальным коэффициентом пропускания К ; на фиг.З представлено устройство для реализации способа в режи

ме измерения спектрометром сигнала (з прямо пропорционального потоку вспомогательного источника, проходящего через торцевые оптические элементы этого источ- ника,противоположные оптическим элементам с коэффициентом пропускания К ; на фиг.4 представлено устройство для реализации способа в режиме измерения сигнала

Ц , прямо пропорционального рабочему потоку, проходящему сразу через две указанные группы торцевых оптических элементов вспомогательного источника.

Устройство содержит: источник излучения 1, вспомогательный газоразрядный источник 2, спектрометр 3. Спектрометр содержит: фокусирующее параболическое зеркало 4, входную щель 5, дифракционную решетку 6, приемник излучения 7, апертур- ную диафрагму 8. Вспомогательный источник содержит: фокусирующие линзы 9 и 10, окна из фтористого магния или фтористого лития 11 и 12 диаметром D, приклеенные к торцам кварцевой колбы 13, электроды 14 диаметром d, зону газового разряда 15 с центром в точке С, заслонку 16. Линзы 10 и 9 расположены симметрично относительно как собственной оптической оси 00 источника 2., так и относительно центра зоны 15 газового разряда, сфокусированы на нее и могут перемещаться вдоль оси 00 для компенсации хроматической абберации, а сам источник 2 может перемещаться в плоскости чертежа так, что его собственная оптическая ось 00 остается параллельно оптической оси АА спектрометра, проходящей через центры фокусирующего зеркала 4 и апертурной диафрагмы &и поворачивается на 180° вокруг оси, перпендикулярной плоскости чертежа роходя щей через центр С зоны газового разряда 15.

Способ осуществляют следующим образом: предварительно с помощью эталонного источника (на фиг. 1-4 не показан) с

известным спектральным потоком Р0 в плоскости апертурной диафрагмы 8 спектрометра определяют начальную спектральную чувствительность So спектрометра 3 как отношение сигнала I , регистрируемого приемником 7, к величине F0 указанного потока:

с А IA

ОоТ

РоЯ

Вт

(1)

С началом эксплуатации в рабочем режиме спектрометр 3 ориентируют в пространстве так, что его оптическая ось АА постоянно направлена на источник излучения 1 (механизмы ориентации спектрометра на фиг.1-4 не показаны), вводят во входную апертуру 8 спектрометра рабочий поток А от источника 1 (см. фиг.1) и приемником 7 измеряют сигнал спектрометра 11 , текущая чувствительность которого равна S :

5liA SA-FA(2)

Затем с помощью заслонки 16 перекрывают указанный поток и перед входной апертурой 8 спектрометра располагают вспомогательный источник 2 так, что его собственная

0 оптическая ось 00 совпадает с оптической осью АА спектрометра 3 (см. фиг.2), располагают линзу 9 вспомогательного источника на ее фокусном расстоянии для данной длины волны Лот зоны газового разряда 15 и

5 вводят во входную апертуру 8 спектрометра 3 поток излучения от вспомогательного источника 2 Роист .проходящий через торцовое окно 11 источника и линзу 9 с общим для обоих оптических элементов текущим коэффициентом пропускания Ki , начальный коэффициент пропускания которых равен

К ,и приемником 7 измеряют сигнал 2 спектрометра:

2А 5А-К1А-РоистА, (3)

после чего поворачивают вспомогательный источник 2 на 180° вокруг оси перпендику- лярной плоскости чертежа и проходящей через центр С зоны газового разряда 15 (см.фиг.З), и снова вводят во входную апертуру 8 спектрометра 3 поток излучения от

вспомогательного источника 2 Роист , но проходящий теперь через торцевое окно 11

5 и фокусирующую линзу 10, которую предварительно фокусируют на зону газового разряда подобно линзе 9 указанным выше способом, с текущим общим для обоих оптических элементов коэффициентом пропу0 екания К.2Л ,. и приемником 7 измеряют

0

5

0

сигнал з спектрометра:

- ч А . Vn А . с„ А

го

з 5Л-К2

ГОИСТ

(4)

Затем выключают вспомогательный источник 2, открывают заслонку 16 и через линзы 9 и 10 и торцевые окна 11 и 12 вспомогательного источника вводят во входную апертуру 8 спектрометра 3 рабочий поток F от

источника 1 (см.фиг.4) и приемником 7 измеряют сигнал М спектрометра:

FA,(5)

I4A SA . KlA . КзА

Я с л.-Х/|лл..| А 2 0 5° ,К Г - 2, |3 | (9)

(с

Ц

Использование: для контроля стабильности спектральных параметров, фотометрических приборов. Сущность предварительно определяют начальную спектральную чувствительность спектрометра, измеряют сигналы спектрометра, пропорциональные спектральному потоку от источника излучения, без дополнительного источника излучения и через него, спектральным потокам от вспомогательного источника, ориентированного вдоль оптической оси спектрометра в двух противоположных направлениях, а также измеряют начальный коэффициент пропускания одной из двух групп оптических элементов вспомогательного источника, и судят о стабильности спектральной чувствительности спектрометра с учетом приведенной зависимости, при этом в качестве вспомогательного источника излучения используют газоразрядный источник проходного типа с группами оптических элементов, симметричными относительно зоны газового разряда источника. 4 ил.

затем поворачивают вспомогательный источник на 180° вокруг оси, перпендикулярной плоскости чертежа и проходящей через центр зоны газового разряда С, приводят вспомогательный источник в первоначальное положение, показанное на фиг.1, и оставляют его в таком положении до следующего цикла контроля временной стабильности спектральной чувствительности спектрометра 3, после чего определяют текущую спектральную чувствительность S спектрометра, для этого в качестве промежуточного этапа ее определения из уравнений (2) - (5) находят текущее значение

коэффициента пропускания Ki торцевого окна 11 и линзы 9:

К

начальное значение которого определяют

тем же способом, что и для Ki в период определения начальной спектральной чувствительности So спектрометра, используя в качестве рабочего потока излучения поток излучения от эталонного источника

FO , получая соотношение, подобное (3), и устанавливая таким образом начальное соответствие между сигналом |0 , измеренным приемником 7 в процессе калибровки спектрометра, и спектральным потоком излучения Роист вспомогательного источника 2:

КЛ- РоистЛ,(7)

I Я СЛ

ID - оо

а для суждения о временной стабильности спектральной чувствительности спектрометра 3 в требуемый момент времени с на- чала его эксплуатации сравнивают текущее

значение сигнала 2 (см. управление 3) измеренное приемником 7. с его первоначально измеренным тем же приемником

значением Ig (см. уравнение 7):

I A I/ А с л. 1о Л. оо

К/ S/

а само указанное суждение о временной стабильности спектральной чувствительности S спектрометра 3 производят исходя из уравнения (8), по зависимости:

10

15

20

25

30

35

40

45

сп

55

сЯ о А

например в %,как: А 100%.

SoA

За счет того, что в способе для контроля временной стабильности спектральной чувствительности спектрометра 3 используется вспомогательный газоразрядный источник 2 проходного типа, имеется возможность во время очередного цикла контроля спектральной чувствительности спектрометра 3 каждый раз заново точно учитывать относительное изменение спектрального потока вспомогательного источника 2 путем измерения текущего значения спектрального коэффициента пропускания оптических элементов источника 2, предварительно измерив начальное значение К этого коэффициента, используя для этого сам спектрометр при измерении им сигналов И , Ц , пропорциональных потоку от

источника 1, и сигналов 2 . з . пропорциональных потоку от вспомогательного источника 2, для последующей коррекции спектральной чувствительности спектрометра 3, что позволяет избежать влияния оптических элементов (окон, линз, дифракционных решеток), изменяющих свои оптические свойства, на процедуру контроля временной стабильности спектральной чувствительности, осуществлять указанный контроль практически непрерывно и тем самым резко повысить точность этого контроля при работе спектрометра в условиях, негативно влияющих на его чувствительность.

Примеры реализации способа.

На предприятии заявителя проведена теоретическая и экспериментальная проработка предложенного способа со следующей аппаратурной реализацией: - спектрометр, содержащий:

-дифракционную решетку с 1200 штрихов/мм радиусом кривизны 0,5 м с отражающей поверхностью из алюминия с защитным покрытием из МдР2;

-приемник излучения с окном из Мдр2 и катодом из RuTe;

-электрометр типа ИТН-7 для регистрации сигнала от приемника;

-параболическое фокусирующее зеркало, выполненное из карбида кремния с фокусным расстоянием 0,5 м диаметром 100 мм;

-механизмы перемещения дифракционной решетки, зеркала, разработки заявителя.

Вспомогательный источник содержит:

-линзы из MgF2 диаметром 100 мм и средним фокусным расстоянием 200 мм разработки заявителя;

-колбу из кварца диаметром 30 мм с вмонтированными в нее электродами диаметром 3 мм и приклеенными к ее торцам окнами из MgFz толщиной 1 мм диаметром 30 мм разработки заявителя;

-механизмы перемещения и вращения колбы и линз разработки заявителя.

Давление Р дейтерия внутри колбы выбрано равным 0,1-5 тор, расстояние между электродами 3-5 мм, величина разрядного тока 50-250 мА, что является оптимальным для газоразрядных источников такого типа.

Так как основным фактором, влияющим на стабильность потока излучения вспомогательного источника 2 Р0ист , служит давление газа внутри кварцевой колбы источника, то учитывая его возможное изменение, например, в результате поглощения дейтерия материалом стенок колбы или электродов источника 2, давление Р контролируют (устройство контроля на фиг. 1-4 не показано) с помощью расположенного в специальном объеме, соединенном с объемом кварцевой колбы источника, порошка из гидрида урана 11Нз, нагретого до требуемой температуры Т и способного при этой температуре поддерживать требуемое равновесное давление Р дейтерия внутри колбы в течение всего срока эксплуатации вспомогательного источника, или с помощью радиоизотопного манометра, расположенного внутри колбы вспомогательного источника 2, позволяющего корректировать

поток излучения Р0ист разрядным током с учетом линейной зависимости потоков от давления и тока дугового разряда в дейтерии в диапазоне давлений 0,1-5 тор и токов 5-250 мА.

Сопоставительный анализ известного и заявленного способов показал, что точность долговременного контроля временной стабильности спектральной чувствительности не менее чем в 10 раз больше, чем по прототипу., из-за того, что исключено влияние изменяющихся оптических свойств оптических элементов, например, окон вспомогательного источника и дифракционной решетки спектрометра, и возможностью осуществления непрерывного контроля чувствительности.

Экономический эффект от использования предложения на момент подачи заявки

подсчитать не представляется возможным из-за отсутствия утвержденных в установленном порядке исходных данных для подсчета фактического экономического эффекта.

Формула изобретения Способ контроля стабильности спектральной чувствительности спектрометра, 0 включающий предварительную калибровку спектрометра путем определения его начальной спектральной чувствительности

So , введение во входную апертуру калиброванного спектрометра потока излучения

5

и измерение сигнала И спектрометра, перекрытие указанного потока и дополнительное введение излучения вспомогательного газоразрядного источника, установленного

0 перед входной апертурой спектрометра, собственная оптическая ось которого совпадает с оптической осью спектрометра, и измерение сигнала г спектрометра, и по измеренным сигналам судят о стабильности

5 спектральной чувствительности спектрометра, отличающийся тем, что, с целью повышения точности контроля при работе спектрометра в условиях, влияющих на его чувствительность, в качестве вспомогатель0 ного источника излучения используют источник проходного типа с расположенными симметрично относительно зоны газового разряда источника двумя одинаковыми группами оптических элементов для вывода

5 и формирования потоков излучения вспомогательного источника, противоположных по направлению и с начальным коэффициентом пропускания К одной из указанных групп оптических элементов, при этом в процессе калибровки спектрометра направляют поток вспомогательного источника через указанную группу оптических

элементов с начальным значением К коэф- 5 фициента пропускания во входную апертуру спектрометра при начальной его спектральной чувствительности и определяют начальное значение 10 сигнала спектрометра, а

при измерении сигнала 12 спектрометра размещают эту группу оптических элементов вспомогательного источника перед входной апертурой спектрометра, затем поворачивают вспомогательный источник на

5 180° и измеряют сигнал 1з спектрометра, после чего вновь вводят в спектрометр через обе группы оптических элементов вспомогательного источника излучения поток от дополнительного источника излучения и из0