Регистратор излучения Советский патент 1982 года по МПК G01J5/58 

Изобретение относится к средствам регистрации излучения .и может быть использовано для измерения интенсивности излучения слабых источников, например, в астрономии.

Известны регистраторы излучения, например радиометры, содержащие приемную оптику, чувствительный элемент, электрический сигнал на выходе которого пропорционсшен интенсивности излучения, и систему регистрации 1.

Недостатком их является сравнительно низкая чувствительность, в особенности при проведении измерений в широком спектральном интервале.

Наиболее близким к изобретению является регистратор излучения, содержащий оптически связанныеисточник зондирующего излучения, чувствительный элемент и приемник зондирующего излучения, выход которого соединен с блоком регистрации, а также приемную систему, направлякииую исследуемое излучение на чувствительный элемент(2..

Недостатком его является низкая чувствительность при регистрации излучения, нагревающего чувствительный элемент, составляющая по мощнос10- Вт.

-ти

Цель изобретения - повышение чувствительности регистрации.

Цель дотигается тем, что регистратор излучения, содержащий оптически связаннь1е источник зондирующего излучения, чувствительный элемент и приемник зондирующего излучения, выход которого соединен с блоком регистрации, а также прием10ную систему, направляющую исследуемое излучение на чувствительный элемент, дополнительно снабжен системой подвеса чувствительного элемента, выполненного в виде капли жид15кости с введенными в нее частицами, а также анализатором допплеровского уширения, вход которого соединен с выходом приемника зондирующего излучения, а выход - с входом

20 блока регистрации.

На чертеже изображена функциональная схема регистратора излучения.

Регистратор излучения содержит источник 1 зондирующего излучения,

25 фокусирующую оптическую систему 2, чувствительный элемент, выполненный в виде капли жидкости 3 с введенными в нее частицами 4, оптические свойства которых (. коэффициент отра30жения, коэффициент преломления, т.п.) отличны от оптических свойств жидкости и инертны к жидкости, систему подвеса 5 капли жидкости 3 в прос ранстве, например магнитную в случае диамагнитной жидкости 3 и частиц 4 или электростртическуго, объектив б, Ь4елевуго диафрагму 7, приемник 8 зондирующего излучения. Направления зон дирующего излучения 9 и приемника 8 не совпадают. Регистратор излучения содержит также анализатор допплеровс кого уширения 10, блок регистрации 11, приемную систему 12 исследуе мого излучения 13. Регистратор работает следующим об разом. Зондирующее излучение 9 подают че рез фокусирующую оптическую систему 2 в ,объем капли жидкости 3 с введенными в,нее частицами 4. Рассеиваясь (отражаясь от частиц 4, излуче ние 9 попадает в -апертуру объектива 6 и через диафрагму 7 - на приемник 8 излучения. На приемнике 8 излу чения (ФЭУ) регистрируются биения, возникающие из-за взаимодействия сигнала оптической частоты источника 1 зондирующего излучения и Ос сигналов частот{iUp+-fl(jj,;,возникающих в результате эффекта Допплера, причиной которой служит броуновское движание частиц 4 в жидкости 3-гетеродинный режим либо биение междучаст .тами (ujp i dw; -гомодинный режим. И в том и в другом случае спектраль ное уширение (лш) однозначно опре деляется температурой жидкости 3с частицами 4. В результате оптических биений (или гетеродинированияпри гетеродин ной схеме ) в электронной цепи ФЭУ возникает шумовой сигнал радиочасто ного диапазона, спектр которого одно значно характеризует величину уширения спектра. При подаче на каплю жидкости 3 и следуемого {регистрируемого)излучения 13 через оптическую приемную систему 12 вследствие поглощения этого излучения в жидкости температура ее изменяется. Истинная термодинамическая температура капли определяется выражением (,ff-r(wh.-o(-A KMsin4/2), где r(w|- полуширина измеряемого доп плеровского спектра, Ч, - вязкость жидкости; р - характерный размер частиц/ К постоянная Больцмана; Ч - угол наблюдения частиц относительно оптической оси зондирующего излучения. Полуширину допплеровского спектра определяют по формуле: гМ:.(лы,)Ч/5ы :|И;-лЮ, где u) - частота максимума полосы пропускания первого-канала/ - частота максимума полосы пропускания второго канала/ J(w:)- величина выходного сигнала на выходе фильтра первого канала D()- величина выходного сигнала на выходе фильтра второго канала. Величину максимальной погрешности измерения истинной термодинамической температуры, пропорциональную мощности исследуемого излучения, определяют по формуле: дТ дг(ц)) йЧ да дЛ лУ Г Г(a) I а Д Ч Оценка составляющих погрешности дает следующие значения: с. 10-5 - 10.10-5 Таким образом, погрешность устройства составляет 10 при измерении истинной термодинамической температуры среды и мощности падаюшегп на каплю исследуемого излучения, когда речь идет об измерении абсолютных . значений мощности исследуемого излучения. Если же говорить об измере-нии приращений поглощаемой в капле мощности, т.е. об относительных измерениях, то погрешность измерений составит величину 10. Из схемы устройства следует, что размер частиц может быть как больше, так и меньше -длины волны зондирующего излучения; среда должна быть прозрачна для зондирующего излучения, материал частиц не должен взаимодействовать (химически ) со средой; вязкость жидкости должна быть приемлемой с точки зрения получения скоростей движения броуновских частиц{ 1 см.) с в рабочем диапазоне температур. В устройстве осуществимо достижение предельной чувствительности измерений, ограниченной только термодинамическими флуктуациями. Регистратор позволяет уменьшить плoщa ;ь чувствительного элемента, т.е. -капли .жидкости, снизить рабочую температуру а счет использования жидкости, не замерзающей при криогенных температурах в случае использования криостата.

Действительно, при применяемом, например, в пневматическом приемнике, способе регистрации изменения давления или объема газа заметное уменьшение площади чувствительного элемента не реализуемо. Это же относится и к понижению рабочей температуры.

В других видах тепловых приемников обязательно присутствуют токовые провода (во всех видах болометров, в том числе сверхпроводящих, что. вследствие тепловых связей увеличивает пороговое значение шумов.

В предлагаемом устройстве считывание информации о величине температуры чувствительного элемента производится дистанционно с помощью луча зондирующего излучения, предельное сечение которого определяется длиной волны,т.е. дифракционным пределом (например, для лазера с Д 0,63 мкм величиной порядка одного микрона) и с большой степенью точности, энергетически не взаимодействующего со средой (с жидкостью и с частицами, рассеивающими зондирующее излучение ). Площадь чувствительного элемента может быть предельно мaлoй; например для регистрируемого излучения с Л с; 10 мкм размеры могут, быть порядка 10x10x10 мкм . Теплопотери, а значит, шумы, ограничивающие пороговую чувствительность,, могут быть сведены только к потерям за счет теплового излучения чувствительного элемента. Так,например,при Т , 4f 1 Гц и площади приемника (эффективной площади приемника - капли жидкости в предлагаемом устройстве ) А 10 х 10 предельно регистрируемый сигнал Pn,f5,6 х X 1(Т%т. Снижение температуры, например, до 20®К соответствует при прежних прочих условиях „oJlcr BT.

Для чувствительного элемента в виде подвешенной полем (магнитным или электрическим) капли жидкости тепловые потери, и,следовательно, флуктуации малы и могут ограничиваться только тепловым излучением. Этот вид потерь может быть уменьшен, если подвешенную полем каплю поместить в замкнутую полость с зеркальными стенками, снабженными малым отверстием для ввода регистрируемого излучения и попадания его на каплю. В этом случае приращение телшератуЬы капли будет (при заданной мощности регистрируемого сигнала) Bospacj; тать со временем (режим калориметрического измерений), т.е. чувствительный элемент будет работать в режиме интегратора Расчет показывает, что увеличение спектральной плотности флуктуации при таком увеличении температуры крайне мало.

ABTOpaivni изготовлен и испытан ма кет предлагаемого устройства. Схема макета соответствовала приведенной на чертеже. В качестве источника зондирующего излучения был использово.ч

лазер типа ЛГ-75(А 0,63 мкм), жидкость - дистиллированная вода, частицы-шарики латекса диаметром 0,,5 мкм,концентрация - 10 относительных объемных единиц,приемник

излучения ФЭУ-79, ширина пропускания фильтров системы измерения уширения спектра d 10 Гц на уровне 0,7,i4, 100 Гц, Югц, размер капли 50 мкм, источник регистрируемого

излучения - лазер ЛГ-23(А 10,6 мкм) с фильтрами. Предварительные измерения подтверждают ожидаемые результаты.

Предлагаемое устройство может быть использовано в метрологии, аст-. рологии и экспериментальной технике для измерения пороговых значений мощности и энергии в широком спектральном диапаэйне.

30

Формула изобретения

Регистратор излучения, содержащий оптически связанные источник зондирующего излучения, чувствительный элемент и приемник зондирующего излучения , выход которого соединен с блоком регистрации, а также приемную систему, налравляющую исследуемое излучение на чувствительный элемент, отличающийся тем, что, с целью увеличения чувствительности регистрации, он дополнительно снабжен системой подвеса чувствительного элемента, выполненного в виде капли жидкости с введенными в нее частицами, а также анализа1горсм допплеровского уширения, вход которого соединен с выходом приемника зондирующего излучения, а выход - с входом блока регистрации.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1.Справочник по приборам инфракрасной техники. Т1од ред. Криксунова Л.З. Киев,Техника,1980, с.4651.

2.Авторское свидетельство СССР 462090, кл. G 01 3 5/58, 1974 (прототип).