Способ определения интенсивности монохроматического линейчатого излучения Советский патент 1976 года по МПК G01J3/30 

Изобретение относится к области определения параметров оптического излучения, в частности, интенсивности излучения в абсолютных энергетических единицах и чувствительности фотоприемников к излучению и может найти применение во всех областях науки, техники и народного хозяйства, где используются измерительные и управляющие оптические приборы и аппаратура, генераторы излучений, фотоприемники и т. п.

Известен способ определения в абсолютных энергетических единицах интенсивности оптического излучения, заключающийся в том, что определяют температуру излучающей поверхности модели абсолютно черного тела (АЧТ) и рассчитывают интенсивность излучения по формуле Планка 1.

Погрешности в определении интенсивности излучения по этому способу проистекают из-за трудностей и погрешностей в измерении температуры излучающей поверхности, вследствие отклонения физических свойств излучающего тела от свойств АЧТ, вследствие неоднородности излучающей поверхности и могут достигать в видимой области спектра 4- 5%, а в ультрафиолетовой-10%. Такая точность не может удовлетворять современным требованиям, в особенности в области технологии, медицины, астрофизических и космических исследований и соответствующей им тех-,

НИКИ.

Известен способ определения интенсивности монохроматического линейчатого излучения, основанный на использовании оптического излучения, возбуждаемого в атомах газа пучком электронов 2.

По этому способу методом «задерживающего потенциала определяют число электронов, возбудивщих в единицу времени данный излучательный уровень. Этот способ характеризуется погрешностями не менее 35-50% при использовании самой современной аппаратуры, определяемыми сильным влиянием начальных скоростей электронов, погрешностями в измерении концентрации газа, невозможностью учесть многоступенчатые и каскадные переходы и другими отрицательными факторами. Поэтому способ не позволяет определять в абсолютных энергетических единицах интенсивности излучения каждой спектральной линии.

Целью изобретения является определение в абсолютных энергетических единицах интенсивности излучения каждой спектральной линии, возбуждаемой в атомах газа пучком

электронов.

Для достижения поставленной цели в источнике оптического излучения, основанном на возбуждении атомов газа пучком электронов, последним сообщают энергию ниже порога

ионизации данных атомов и, используя, например, метод «задерживающего потенциала.

определяют суммарное число электронов, возбуждающих в единицу времени все излучательные уровни атомов, носле чего излучение каждой спектральной линии поочередно направляют в фотоприемник и определяют его реакцию, затем изменяют энергию электронов, оставляя ее ниже порога ионизации, столько раз, сколько спектральных линий возбуждено в газе, каждый раз определяя суммарное число электронов и реакции фотоприемника на излучение всех спектральных линий в отдельности, и по полученным данным находят интенсивность излучения каждой спектральной линии.

Для учета многоступенчатых переходов и точного определения интенсивности излучения в этом случае направляют в фотоприемник только те спектральные линии, которые образуются при самом нижнем переходе.

Для одновременного определения чувствительности фотоприемника к излучению каждой спектральной линии в фотоприемник на-/ правляют излучение всех спектральных линий одновременно, определяют реакцию его на суммарное излучение и по полученным данным и результатам определения реакций фотоприемника на излучение спектральных линий в отдельности , а также по числу электронов, возбудивших в единицу времени все излучательиые уровни, находят чувствительность фотоприемника к излучению каждой спектральной линии используемого источника.

Способ определения интенсивности излучения и определения чувствительности фотонриемника осуществляется следующим образом.

Если /fern есть выраженная в числе квантов интенсивность излучеиия спектральной линии с номером k при т-ном значении энергии электронов, Kih - пропускание источника излучения, /,2ft - пропускание монохроматора и другой оптики, ik - чувствительность фотоприемника к излучению й-той линии, jum - реакция фотонриемника на излучение й-той линии, то:

Лт - km k Ч - 1Й 2й k

Деля выражение (1) на Як и суммируя по всем спектральным линиям одноступенчатых переходов и линиям, образующимся при нижних переходах в случае многоступенчатого излучения, получают:

i hmX, 2 - А„; - т- (2)

где N - число всех указанных линий.

При энергии ниже порога ионизации данный электрон может возбудить только один атом, так как остающаяся у него после этого акта энергия будет недостаточна для возбуждения следующего атома. Поэтому число возбужденных в единицу времени атомов будет равно числу электронов, возбудивших эти атомы за то же время. Число квантов, излучаемых спектральной линией, образующейся при не надо определять ни ток в пучке электропенчатого излучения, равно числу атомов, возбужденных на все излучательные уровни данной системы многоступенчатых переходов. Таким образом сумма иптенсивиостей /т в правой части (2) Б точности равна числу электронов, возбудивщих в единицу времени все излучательные уровни данных атомов, которое,, как указывалось выше, может быть определено, например, методом «задерживающего потенциала. В отличие от определения этим методом числа электронов, возбуждающих данный излучательный уровень, определение суммарного числа электронов, возбуждающих все излучательные уровни, будет весьма точным,

поскольку энергетически самый нижний излучательный уровень достаточно сильно отличается от самого верхнего метастабильного уровня, а ионизация отсутствует, в силу чего влияние начальных скоростей электронов на

точность определения указанного их числа будет очень малым, а погрещность такого определения не будет превышать нескольких сотых процепта.

Теперь варьируют N раз энергию электронов, оставляя ее ниже порога ионизации. Каждый раз при этом определяют число электронов, возбудивщих в единицу времени все излучательные уровни атомов, и реакции кт фотоприемника на излучение каждой спектральной линии в отдельности. В результате получают систему из Л линейных алгебраических уравнений (2) относительно N неизвестных величин Хк. Решая эту систему, находят все лх и из уравнений (I) - все интенсивности

/к™.

Далее определяют реакцию фотоприемника на излучение тех спектральных линий, образующихся при многостуненчатых переходах, которые ранее не анализировались фотоприемником. Таким образом, вместе с ранее найденными реакциями получают полный набор реакций JKm на излучение всех NI спектральных линий, генерируемых источником излучения. После этого направляют в фотоприемник

излучение всех спектральных линий одновременно и определяют его реакцию на суммарное излучение. Эта реакция Ет может быть записана так:

лг

„, - (3)

Отсюда находят, используя выражение (1): Ii-- --

В результате решения системы уравнений (4) определяют все пропускания Кгк. Рассчитывая, далее, известными способами пропускаиие источника излучения KIK, по найденным выше значениям величин Як находят чувствительности фотоприемиика д, к излучению каждой спектральной линии в отдельности.

Для осуществления предложенного способа не надо определять ни ток пучке электронов, ни концентрацию (давление) атомов газа, как это надо делать в известном способе (что является там источником больших погрешностей). Значения этих параметров не оказывают влияния на точность определения по описываемому способу, поскольку режим работы источника излучения при принятых в способе условиях определяется атомными константами- потенциалами возбуждения излучательных уровней и ионизации. Важнейшим обстоятельством, повышающим эффективность предложенного способа, является одинаковая точность измерения для всех спектральных линий и независимость точности от величин пропускания источника излучения, монохроматора и другой оптики и от чувствительности фотоприемника.

Указанные в способе измерения всегда могут быть сведены к измерению электрических токов, которые могут измеряться с точностью до 0,001-0,01%. Выше уже отмечалось, что с такой же точностью могут быть определены и числа электронов, возбуждающих в единицу времени все излучательные уровни.

Сказанное дает основание для обеспечения возможности эталонирования как интенсивности излучения, так и чувствительности фотонриемника, по крайней мере, на порядок более высокой, чем известными способами.

Формула изобретения

1. Способ определения интенсивности монохроматического линейчатого излучения, основанный на использовании оптического излучения, возбуждаемого в атомах газа пучком электронов, отличающийся тем, что, с целью определения в абсолютных энергетических единицах интенсивности излучения каждой спектральной линии, электронам, возбуждающим излучение, сообщают энергию ниже порога ионизации и, используя, например, метод «задерживающего потенциала, определяют суммарное число электронов, возбуждающих в единицу времени все излучательные уровни атомов, после чего излучение каждой спектральной линии направляют в фотоириемник и определяют его реакцию, затем

изменяют энергию электронов, оставляя ее ниже порога ионизации, столько раз, сколько спектральиых линий возбул дено в газе, каждый раз определяя суммарное чнсло электронов и реакции фотоприемника на излучение

всех спектральных линий в отдельности, и по полученным данным находят интенсивности излучения каждой спектральной линии.

2.Сиособ по п. 1, отличающийся тем, что направляют в фотоприемннк только те

спектральные линии, которые образуются при самом нижнем переходе.

3.Способ по пп. 1 и 2, отличающнйся тем, что в фотоприемиик направляют излучение всех линий одновременно, определяют реакцию фотоприемника на суммарное излучение и но иолученным данным находят чувствительность фотонриемника к излучению каждой снектральной линии используемого источника.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе:

1.Е. А. Макарова, А. В. Харитонов. Распределение энергии в спектре Солнца и солнечная постоянная, М., «Наука, 1972, с. 103- 116.

2.Месси Г. и Бархоп Е., Электронные и ионные столкновения, «Ин. лит., 1958, с. 67- 71 (прототии).