Способ измерения спектрального распределения интенсивности излучения Советский патент 1981 года по МПК G01J3/28 

Изобретение относится к технике измерения спектрального распределения интенсивности электромагнитного излучения и предназначено для исследования спектрального состава электромагнитного излучения миллимет рового, субмиллиметрового и да.пьнего инфракрасного диапазонов.. Известны три основньох способа измеремия спектрального распределения интенсивности: узкополосная фильтрация с последующей регистрацией широкополосным приемником, смешение на н линейном элементе анализируемого излучения с узкополосньам перестраиваемым излучением внешнего генератора, измерения коэффициентов Фурьеисследуемого спектра с последующим применением обратного преобразования Фурье, реализуемые для миллимет рового, субми.плиметрового и дальнего инфракрасногр диапазонов. .. Наилучшее разрешение, реализуемое практически указанными способам при использовании охлаждаемых детек торов в области 3-100 см/ достигает величины 0,5-1 ,2 и З}. В способе, основанном на дифракци онной спектроскопии, имеют место по тери исследуемого излучения вследствие прохождения его через сложную систему фильтров, зеркал, дифракционных решеток, входной и выходной щелей прибора. В миллиметровом и субмиллиметровом диапазонах анализ спектров основывается на использо вании источников излучения с линейчатым спектром, что не позволяет производить непрерывных по спек.тру измерений во всем диапазоне. Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к предлагаемому является способ измерения спектрального распределения интенсивности электромагнитного излучения посредством регистрации отклика приемника излучения, как функции изменяемого параметра, и восстановления искомого спектра путем при-г менения к измеренной зависимости взаимнооднозначного интегрального преобразованияf4. Недостатком этого способа Фурьеспектроскопии, являются необходимость в точном определении точки нулевой разности хода из-за чувствительности результатов к ошибкам в ее определении повышенные требования к динамическому диапазону применяемого канала регистрации из-за

разности сигналов в разных частях интерферограммы, необходимость в прецезионной системе контроля разнос ,ти хода лучей в интерферометре с точностью 0,1 от наименьшей длины волны, присутствующей в исследуемом спектре; использование интерферометра, удовлетворяющего перечисленным выше требованиям. Все это приводит к усложнению пррцесса измерения и делает сам интерферометр трудноизготавливаемым и дорогостоящим устройством.

Цель изобретения - увеличение разрешения и упрощение процесса измерения, измерение спектрального состава перестраиваемых по спектру без иЗменения формы интенсивности узких полос поглощения или излучения.

Поставленная цель достигается тем что измеряют отклик на исследуемое излучение приемника на основе слабосвязанных сверхпроводников, рабочую температуру Т (.KJ и сопротивление R COM) которого выбирают по соотношению RT 74 О д, гделБ - требуемое разрешение прибора, см , и прим няют -к измеренной зависимости интегральное преобразование Гильберта, а в качестве изменяемого параметра выбирают или постоянное напряжение смещения V на приемнике и это иапр женне изменяют от нуля до значения 7 0, 062 . 2. .(см9- наибольшая частота в исследуемом спектре, при котором отношение сигнал/шум уменьшают до единицы, или величину перестройки полосы, а постоянное напряжение смещения Vp на приемнике при этом устанавливают при значении, соответствующем середине диапазона, в котором перестраивается спектральная полоса.

На фиг. 1 представлен график измеренной зависимости от напряжения смещения отклика gfCV} сверхпроводящего точечного контакта из ниобия на излучение ртутной лампы, прошедшее через решетчатый монохроматор, полученная из него применением интегрального преобразования Гильбера аппаратная функция монохроматора и теоретически рассчитанная аппаратная функция этого же монохроматоpa.

На фиг. 2 - график измеренной зависимости отклика сверхпроводящего точечного контакта из ниобия от величины перестройки полосы на налучёние ртутной лампы, прошедшее через монохроматор, полученная из него применением интегрального.преобразования Гильберта аппаратная функция монохроматора и теоретически рассчитанная аппаратная функция этого же монохроматора.

П.р и м е р 1. Излучение ртутной лампы пропускают через решеточный монохроматор, настроенный на пропускние .излучения о центральной частотой Я 20сял 1 и направляют на точечный сверхпроводящий контакт из ниоби (.один из видов слабосвязанных сверхпроводников) , который имеет сопротивление R 26 Ом и находится при Т 4,2 К. Кривая 1 (фигЛ представляет измеренный откликg(v)KOHTaKTa на падающее излучение, как функция напряжения смещения j . Напряжение смещения у изменяют в окрестности от нуля до значения большего Y О,062 1,24 MB до тех пор, пока отношение сигнал/шум уменьшилось до единицы. Кривая 2 демонстрирует результат -применения интегрального преобразования Гильберта к кривой 1, т.е. восстановленный искомый спектр излучения, прошедшего через монохроматор ( так называемую аппаратную функцию монохроматора . Здесь же, для сравнения, построена теоретически рассчитанная аппаратная функция этого монохроматора, отвечающая условиям эксперимента (кривая 37 . Оценка собственной, ширины линии используемого сверхпроводящего перехода (т.е. величины разрешения способа в данном случае) дает значение , 15 что в 8 раз меньше ширины.измеренной линии и доказывает корректность проведенных измерений аппаратной функции.

Пример 2... -Излучение ртутной лампы пропускают через решеточный монохроматор и направляют на точечный контакт из ниобия, который имеет сопротивление Ом и находится при Т 4,2 К. Кривая 1 (фиг.2 представляет измеренный отклик контакта на падающее из монохроматора узкополосное излучение как функцию монохроматора от величины перестройки полосы по частоте. Напряжение смещения VQ на приемнике устанавливают при значении УО 1,23 мВ, соответствующем точке смены знака отклика приемника, а перестройку полосы излучения монохроматора по частоте без изменения ее формы и интенсивности осуществляют посредством поворота эшелетта в пределах не меньших ее утроенной ширины iO, б см- от частоты Q 16,13-VQ-20 civt- и производят от малых частот к большим. .Кривая 2 демонстрирует результат применения интегрального преобразрвания Гильберта к кривой 1, т.е. восстановленный искомый спектр узкополосного излучения , прошедшего через монохроматор-аппаратную функцию монохроматора. Здесь же, для сравнения построена теоретически рассчитанная аппаратная функция этого монохроматора, отвечающая условиям эксперимента (кривая 3). Оценка собственной ширины линии генерации сверпроводящего перехода, используемого данном примере, дает-значение ),05 см , что более чем в 10 ра

меньше ширины измеренной линии и доказывает коррективность проведенных здесь измерений аппаратной функции ..

Технико-экономический эффект от применения способа измерения спектрального распределения интенсивности электромагнитного излучения путем регистрации отклика слабосвяэанных сверхпроводников заключается в увеличении разрешения спектральных измерений в раз, при чувствительности 10-- 10 Вт/Гц расширении диапазона исследуемых спектров в длинноволновую сторону, а также в упрощении процесса измерения и удешевлении применяемой аппаратуры по сравнению с известным методом Фурье-спектроскопии, так как использование резонансных свойств приемника на основе слабосвязанных сверхпроводников позволяет совместить в таком приемнике функции анализатора спектра и детектора и устранить дорогостоящие и трудноизготавливаемые элементы - двухлучевой интерферометр и систему изменения и контроля разности хода лучей в интерферометре, снижении веса, габаритов аппаратуры и потребляемой ею мощности.

Формула изобретения

/

1, Способ измерения спектрального распределения интенсивности излучения посредством регистрации отклика приемника излучения, как функции изменяемого параметра, и восстановления искомого спектра путем применения к измеренной зависимости взаимнооднозначного интегрального преобразования, отличающийся тем, что, с целью увеличения разрешающей способности и упрощения процесса измерения, измеряют отклик на исследуемое излучение приемника на основе слабосвяэанных сверхпроводников, рабочую температуру .Т(К и сопротивление R(oM) которого выбирают по соотношению RT 740Af, требуемое разрешение прибо.ра применяют к измерен юй зависимости интегральное преобразование Гильберта.

2.Способ по п.1,0 т л и ч а ющ и и с я тем, что в качестве изменяемого параметра выбираю т постоянное напряжение смещения V на приемнике и это напряжение изменяют от нуля до значения V 0,062 f t где

f {см ) - наибрльная частота в исследуемом спектре, при котором отношение сигнал/шум уменьшает до единицы

3.Способ , отличающийся тем, что, с целью измерения спектрального состава перестраиваемых по спектру без;-изменения формы и интенсивности узких полос . излучения или поглощения, в качестве изменяемого параметра выбирают величину, перестройки полосы, а постояйное напряжение смещения VQ на приемнике устанавливают при значении, соответствующем точке смены знака отклика приемника.

Источники информации принятые во внимание при экспертизе

1.Техника спектроскопии в дальней инфракрасной субмиллиметровой

и миллиметровой областях спектра, Мир, М., 1970.

2.Мерц Л. Интегральные преобразования в оптике. Мир, М.г 1969.

3.Жижин Г.Н. Современная Фурьеспектроскопия. Аппаратура и применение. Препринт института спектроскопии АН СССР. 19, Троицк, 1977.

4.Лихарев К.К., Ульрих Б.Г. Системы с джозефсоновскими контактами , изд-во МГУ, М., 1978.