Патент на изобретение №2208224

(54) СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ЭНЕРГИИ ОПТИЧЕСКОГО И СВЧ-ИЗЛУЧЕНИЯ

(57) Реферат:

Изобретение относится к измерительной технике. Способ включает введение излучения в герметическую ячейку, заполненную поглощающим излучение газом. Через поглощающий излучение газ пропускают акустические сигналы, измеряют вызванное поглощением излучения изменение скорости прохождения этих акустических сигналов через поглощающий газ и по величине изменения скорости акустических сигналов определяют энергию оптического и СВЧ-излучения. Технический результат – увеличение чувствительности измерений.

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения энергетических параметров оптического излучения (преимущественно инфракрасного диапазона) и СВЧ-излучения.

Известен способ измерения энергии оптического излучения, заключающийся в направлении оптического излучения через прозрачное окно в герметичную камеру, заполненную газом и имеющую установленную на пути оптического луча тонкую поглощающую пленку, а также мембрану, являющуюся частью одной из стенок камеры (Пневматический приемник, ячейка Голея). При поглощении пленкой падающего на нее оптического излучения происходит нагрев пленки и вследствие теплопередачи нагрев газа в камере, что приводит к повышению его давления и соответствующей деформации мембраны. По величине деформации судят о величине поглощенного оптического излучения [1].

Недостатками этого способа являются спектральная неселективность приема, сравнительно большая инерционность и низкая пороговая чувствительность, обусловленная малыми величинами деформации мембраны при поглощении пленкой малых потоков оптического излучения.

Известен оптико-акустический способ измерения энергии оптического излучения, заключающийся в направлении оптического излучения через прозрачное окно в герметичную камеру, заполненную газом, селективно поглощающим оптическое излучение определенной длины волны, и имеющую в качестве чувствительного элемента акустический микрофон [2] (прототип).

По сравнению с приведенным выше способом, данный способ обладает спектральной селективностью, меньшей инерционностью и более высокой чувствительностью.

Основным недостатком этого способа является крайне низкая защищенность от влияния акустических и вибрационных помех, обусловленная использованием в качестве чувствительного элемента акустического микрофона. Это обстоятельство приводит к тому, что несмотря на то, что этот способ приема оптического излучения по своей чувствительности в средней ИК-области спектра приближается к фотоприемникам других типов, а в дальней ИК-области существенно превосходит их, использование его при решении целого ряда практических задач существенно ограничено. Высокая степень восприимчивости данного способа измерения оптического излучения к акустическим и вибрационным шумам существенно ухудшает пороговую чувствительность способа измерений по сравнению с принципиально достижимыми значениями и делает его малопригодным для использования в широкой практике в реальных производственных условиях.

Техническим результатом, который может быть получен при реализации изобретения, является увеличение чувствительности и помехозащищенности процесса измерения энергии оптического излучения (особенно, инфракрасного диапазона) и СВЧ-излучения.

Технический результат достигается тем, что, как и в прототипе, оптическое СВЧ-излучение направляют через прозрачное окно в герметичную ячейку, заполненную поглощающим излучение газом. Но, в отличие от прототипа, через находящийся в ячейке поглощающий газ пропускают акустические сигналы, измеряют вызванное поглощением излучения изменение скорости прохождения акустических сигналов через поглощающий газ и по величине этого изменения определяют энергию оптического СВЧ-излучения.

Предлагаемый способ измерения энергии оптического СВЧ-излучения основан на том, что поглощение газом электромагнитного излучения приводит к увеличению температуры поглощающего газа, причем это увеличение однозначно связано с энергией поглощаемого излучения, оптическими и физико-химическими параметрами поглощающего газа (сечением поглощения молекулами газа излучения данного спектрального состава и теплоемкостью газа).

T= K E, (1)
где T – величина нагрева газа в градусах Кельвина;
Е – количество поглощенной газом энергии электромагнитного излучения в Джоулях;
К – коэффициент пропорциональности, являющийся константой для данного сорта газа, геометрических размеров измерительной ячейки и давления газа в ячейке.

Коэффициент пропорциональности К может быть рассчитан известным путем исходя из известной теплоемкости используемого газа и известного количества, заключенного в ячейке газа или определен эмпирически путем калибровочных измерений.

Скорость звука в газовой среде С связана с температурой газовой среды Т_к известным соотношением:
C = 20,067T_к(м/c) (2).

В предлагаемом способе измеряется изменение времени прохождения через газовую среду акустических сигналов (изменение скорости звука С), происходящее вследствие нагрева газовой среды, вызванного поглощением ею электромагнитного излучения, энергию которого требуется измерить.

Изменение температуры Т_к, заключенного в ячейку газа определяют из соотношения, следующего из (2):
Т_к=(20,067)^-2(C₂ ²-C₂ ²), (3)
а величины C₁ и С₂ определяют из соотношений
C₁=L/t₁
C₂=L/t₂, (4)
где L – геометрическая длина пути акустического сигнала, пропускаемого через измерительную ячейку;
t₁, t₂ – время прохождения этим сигналом длины L до (t₁) и после (t₂) поглощения газовой средой контролируемого электромагнитного излучения.

Величина L является константой, определяемой конструкцией измерительной ячейки (геометрическим расстоянием между излучателем и приемником акустических сигналов), значения t₁ и t₂ измеряют посредством известных схем измерения временных интервалов.

Таким образом, величина энергии оптического СВЧ-излучения, поступаемого в измерительную ячейку и поглощаемого находящимся в ней газом, однозначно связана с изменением времени прохождения акустическим сигналом, распространяющимся внутри ячейки, фиксированного расстояния L между излучателем и приемником акустических сигналов:

Так как процесс измерения энергии оптического СВЧ-излучения сводится к измерению флуктуаций температуры поглощающего излучение газа акустическим (ультразвуковым) методом, то данный способ может быть реализован посредством известных ультразвуковых измерителей флуктуации температуры газовой среды, имеющих в своем составе генератор возбуждающих импульсов, генератор тактовых импульсов, изучающий и приемный пьезоэлектрические преобразователи, приемный усилитель-ограничитель электрических сигналов, схему сравнения фаз излученного и принятого акустических сигналов (или схему измерения времени распространения акустических сигналов) и ряд дополнительных электронных устройств, предназначенных для учета некоторых источников ошибок измерений и служащих для увеличения точности измерения флуктуации температуры газовой среды (см., например, [3], [4], [5]).

Источники информации
1. Ж. Аш и др. Датчики измерительных систем. Книга 1. Глава 5, стр. 219. Москва, “Мир”, 1992.

2. Итанин Г. Г. и др. Источники и приемники излучения. Санкт-Петербург “Политехника”, 1991. Глава 7, стр. 218.

3. А. И. Лукашевичюс и др. Устройство для измерения температуры. А.С. СССР 769364, бюл. 37, 07.10.80.

4. С. И. Антанайтис и др. Ультразвуковой измеритель температуры газовых сред. А.С. СССР 711383, бюл. 3, 25.01.80.

5. В. А. Сукацкас. Устройство для измерения температуры. А.С. СССР 647554, бюл. 6, 15.02.79.

Формула изобретения

Способ измерения энергии оптического и СВЧ-излучения, включающий введение излучения в герметическую ячейку, заполненную поглощающим излучение газом, отличающийся тем, что через поглощающий излучение газ пропускают акустические сигналы, измеряют вызванное поглощением излучения изменение скорости прохождения этих акустических сигналов через поглощающий излучение газ и по величине изменения скорости акустических сигналов определяют энергию оптического и СВЧ-излучения.