Brevet FR2184532A1 — publié le 19731228

L'invention, due à BAZHUNIN Alexei Pavlovich, VINOGRADOV Evgeny Alexandrovich, IRISOVA Natalia Alexandrovna, MITROFANOVA Nina Vasilievna, TIMOFEEY Jrry Petrovich, FRIDMAN Samuil Aronovich, SCHAENKO Valentina Vasilievna, concerne les appareils de mesure de rayonnement électromagnétique, en particulierles appareils pour l'observation visuelle et la mesure d'un rayonnement électromagnétique et peut être utilisée pour l'étude des caractéristiques de diverses sources cohérentes et incohérentes dans les gammes de longueurs d'ondes infrarouges et de fréquences supérieures, ainsi que lors des utilisations pratiques diverses de ces sources. L'invention permet, par exemple, de déterminer la structure des modes, la divergence du faisceau, et la longueur d'onde du rayonnement des lasers infrarouges et des générateurs de fréquences supérieures, de procéder à l'ajustage et à la simulation des voies quasi-optiques et de réaliser l'holographie, la défectoscopie et l'introscopie dans les gammes infrarouges et de fréquences supérieures. Sont connues des installations de laboratoire pour l'observation visuelle directe et pour la mesure d'un rayonnement électromagnétique, utilisant l'action thermique des rayonnements à enregistrer sur les écrans récepteurs à couches multiples. Les écrans récepteurs comportent un support thermo-isolant à faible capacité calorifique, une couche métallique absorbante et une couche thermosensible, formée soit avec des phosphores thermosensibles (voir par exemple A.P. Bazhulin , E.A. Vinogradov N.A. Irisova , S.A. Fridman, lettres au journal de physique théorique et expérimentale, t. 8, NO 5, p. 26, 1968) soit avec des cristaux liquides (voir par exemple Augustine F.E. Electronics, t. 24, p. 118, 1968). La surface de l'écran récepteur dans les deux cas est uniformément éclairée par des sources supplémentaires, qui en cas d'utilisation de phosphores sont des sources de rayonnement ultraviolet (par exemple des lampes à vapeur de mercure à moyenne ou haute pression) et, lors de l'utilisation de cristaux liquides, des sources de lumière visible. L'échauffement de ces écrans par les rayonnements à enregistrer provoque une modification de l'intensité de luminescence des phosphores ou de la couleur des cristaux liquides, correspondant à la densité superficielle du rayonnement élec tromagnétique mesuré.L'utilisation des cristaux liquides exige le décodage de l'image, pour obtenir une information quantitative (la transformation des caractéristiques spectrales en caractéristiques d'amplitude); c'est pourquoi les phosphores thermosensibles sont préférables car ils peuvent être photographiés par photométrie directe. D'autre part les phosphores permettent de mesurer une gamme dynamique de puissance enregistrée plus large, car ils ont une stabilité thermique supérieure. Cependant les installations connues utilisant des écrans récepteurs luminescents comportent une série d'inconvénients. Dans les installations de laboratoire existantes, l'écran récepteur n'est pas protégé contre les influences thermiques; c'est pourquoi la netteté de l'image est dégradée à cause des courants d'air de convection. La sensibilité et la luminosité de l'écran récepteur dépendent de la température du local, qui d'ordinaire ne correspond pas au maximum de la sensibilité du phosphore. En outre, des contraintes mécaniques agissant sur l'écran récepteur peuvent entraîner son endommagement, ce qui gêne son utilisation. La préparation délicate des écrans de grande dimension limite en particulier la longueur de la gamme de rayonnements à enregistrer du côté des ondes longues. Dans les installations de laboratoire, on ne prévoit pas la possibilité de modifier les caractéristiques principales de l'écran récepteur qui sont en interdépendance : la constante de temps, le seuil de sensibilité, le pouvoir de résolution, et la gamme dynamique de la puissance enregistrée. Cependant, ceci est indispensable, vu la diversité des paramètres des sources de rayonnement électromagnétique et des buts des mesures effectuées. Les sources ultraviolettes utilisées pour l'excitation de l'écran récepteur se situent à une certaine distance de sa surface et pour cette raison l'efficacité du rayonnement excitateur est insuffisante. Elles possèdent un encombrement important et exigent un refroidissement forcé . D'autre part, elles créent un fond de dissipation important de rayonnement ultraviolet, qui est nuisible à l'oeil de l'opérateur en cas de travail prolongé et impropre à l'enregistrement photographique. C'est pourquoi les installations existantes conviennent mal à la réalisation des mesures quantitatives en série, surtout pour les sources de rayonnement électro magnétique avec des longueurs d'ondes et des densités de rayonne ment très variées. La présente invention a pour but l'élimination des inconvé nients indiqués. L'invention est basée sur le problèmé de la création d'un appareil compact et commode en service, basé sur l'utilisation d'écrans luminescents récepteurspourlebservation visuelle et la mesure d'un rayonnement électromagnétique, et dont les caractéris tiques principales soient variables et contrôlables. Ce problème est résolu grâce au fait que, dans l'appareil pour l'observation visuile et la mesure d'un rayonnement électromagnétique comportant un écran récepteur formé par superposition d'une couche de support thermo-isolante, d'une couche de métal absorbant le rayonnement à mesurer et d'une couche de phosphore dont la lumi nescence est sensible au rayonnement électromagnétique, et une source d'excitation du luminophore, selon l'invention, l'écran récepteur, fixé sur un cadre, et au moins une source d'excitation, se trouvant à proximité de celui-ci, sont installés dans un corps possédant des fenêtres pour le passage du rayonnement à étudier. Le corps peut être réalisé étanche. L'écran récepteur peut être formé par des écrans récepteurs séparés, fixés sur des adres individuels montés dans une monture commune. Il est avantageux que le cadre soit réalisé avec deux bagues coniques, dont l'une est introauite dans l'autre, de manière à assurer la tension uniforme du support souple de l'écran récepteur passé entre elles. Il est avantageux que l'écran récepteur soit placé dans une cassette possédant des fenêtres ; la cassette peut être réalisée étanche et dotée d'une valve à vide, tandis qu'au moins une fenêtre du corps et de la cassette sont disposées sous un certain angle par rapport au rayonnement à mesurer, par exemple sous l'angle de Brewster. Il est avantageux que la cassette soit dotée d'un élément chauffant et d'un thermorégulateur, maintenant la température de l'écran récepteur au niveau assigné. Il est avantageux de réaliser la source d'excitation sous forme d'une lampe toroldale. Ceci permet d'obtenir un appareil L compact et commode pour l'observation visuelle et la mesure d'un rayonnement électromagnéa tique, permettant d'élargir considérablement la gamme des études réalisables. Les caractéristiques de l1invention ressortiront plus particulièrement de la description suivante donnée à titre d'exemple et faite en se basant sur les dessins donnés en annexe, qui représen tent la figure 1, la vue d'ensemble de l'appareil pour l'observation visuelle et la mesure d'un rayonnement électromagnétique (en coupe longitudinale), selon l'invention la figure 2, un autre mode de réalisation de l'appareil pour l'observation visuelle et la mesure d'un rayonnement électromagnétique (en coupe longitudinale ) selon l'invention la figure 3, l'écran récepteur luminescent à trois couches fixé sur un cadre, selon l'invention la figure 4, la caissette étanche de protection la figure 5, la vue d'ensemble schématique d'un écran récepteur de grande dimension, formé par plusieurs écrans récepteurs distincts, selon l'invention la figure 6, une cassette de protection déportée, selon l'invention, utilisée pour travailler avec une source d'excitation ultraviolette déportée. L'appareil pour l'observation visuelle et la mesure d'un rayonnement électromagnétique comporte un écran récepteur à trois couches I (figures 1, 2) solidaire d'un cadre 2, introduit dans une cassette de protection 3, et au moins une source 4 de rayonnement d'excitation ultraviolet de l'écran récepteur, montés dans un corps commun 5 possédant une fenêtre 6. La cassette de protection 3 possè- de également des fenêtres 6 transparentes pour le rayonnement passant à travers. La source d'excitation 4 de l'écran récepteur 1 peut être installée dans un réflecteur 7 et dotée d'un filtre 8. La cassette protectrice 3 est dotée d'un élément chauffant 9 et d'un thermorégulateur 10, maintenant la température assignée de l'écran récepteur 1.La cassette de protection 3 peut être réalisée étanche et posséder une valve de pompage pour régler les conditions de l'échange thermique par l'évacuation ou l'admission des gaz qui orft des molécules de mobilités diverses. L'écran récepteur 1 (figure 3 est formé par les couches superposées suivantes : un support thermo-isolant 12, une couche métallique absorbante 13 et une couche de phosphore thermosensible '4 ; comme support thermo-isTant1 on utilise des pellicules synehétieues fines, par exemple de t-vsan de 1 à 100 microns d'épaisseur, possédant une faible capacité calo- rifique et une résistance mecanioue suffisante. a production de telles pellicules est peu coûteuse et mise au point dans l'indus- trie.La couche 13 absorbant le rayonnement est une fine couche o métalliaue, par exemple en alwninium ou en bismuth de 5 à 200 A (Angströms) d'épaisseur, portée sur le support thermo-isolant 12 par vaporisation sous vide. Le coefficient d'absorption d'une telle couche, plus fine que 1 'épaisseur d-e la couche superficielle de courant, et moindre que la longueur du parcours libre des électrons, ne dépend pas pratiquement de la longueur d'onde du rayonnement enregistré dans le domaine allant de quelques microns à plusieurs décimètres et eut atteindre 50 de la puissance incidente du -rayonnement enregistré tout en ayant une capacité calorifique négligeable.La modification de l'épaisseur de cette couche permet de modifier progressivement l'absorption de l'énergie incidente de quelques fractions de pour-cent à 5O et, respectivement, de faire varier la gamme dynamique des puissances des rayonnements électromagnétiques enregistrés. Comme phosphores thermosensibles, on peut utiliser des phosphores dont la luminosité change brusquement, par exemple ZnSCdS ; Ag, Ni, lors de leur chauffage à partir de quelques fractions de degrés à 2000C. La variation de l'intensité des bandes de luminescence de ces luminophores atteint 30V > par degrés, ce qui permet de relever directement et visuellement des écarts de température de l'ordre de 0,1-0,2 degrés. En outre, dans certains cas,on peut utiliser des phosphores modifiant au cours de leur échauffement leur couleur de luminescence, par exemple Zn-Ag, m, pour lesquels la couleur de luminescence tasse du bleu au rouge, ce qui permet d'obtenir une image en couleur des champs étudiés. Dans le domaine infrarouge proche (de 0,9 à 1,5 microns), dans ce meme appareil, à la place des écrans à phosphores thermosensibles il est préférable d'utiliser des écrans à phosphores optico-sensibles, par exemple ZnS-Cu,Co. Dans ce cas la couche de métal joue le rôle, non d'un absorbeur, mais d'un réflecteur du rayonnement électromagnétique variable et de lumi nescence du luminophore, ce qui donne un accroissement de la sensibilité de l'écran récepteur et de sa luminosité.Ces écrans sont exécutés et réalisés de manière analogue, mais ils ne sont utilisables que dans le domaine infrarouge proche. La haute sensibilité thermique de l'écran récepteur exige d'autre part la stabilisation de sa température moyenne et sa protection contre l'influence des courants d'air convectifs. Ceci est obtenu en plaçant l'écran récepteur 1 dans une cassette de protection 3 (figure 4). La cassette de protection 3 est dotée d'un élément chauffant 9 et d'un thermorégulateur 10, qui maintient la température moyenne de l'écran récepteur 1 au niveau assigné, par exemple 30 à 500C ; cela permet de régler la sensibilité thermie t ;; la luminosité du phosphore, ce qui est indispensable pour l'en- registrement d'un rayonnement électromagnétique à densité superficielle variable.L'étanchéité de la cassette de protection 3 permet de modifier le coefficient de dégagement de la chaleur de l'écran récepteur 1 à partir de la valeur minimale, correspondant au dégagement de la chaleur exclusivement par radiation (pour un vide atteignant par exemple 10 2 à 10 3 mm Hg) jusqu'à la valeur maxima- le, qui correspond au dégagement de la chaleur par l'intermédiaire de gaz inertes (par exemple pour P = 10 at.). Ceci permet de modifier environ d'un ordre de grandeur la constante de temps de l'écran 1 et la gamme des puissances enregistrées du rayonnement magnétique. il convient également de remarquer que l'on peut placer l'écran récepteur 1 dans un corps étanche 5 (figure 2). Pour réduire le rôle des réflexions parasites du rayonnement enregistré par les fenêtres 6 de la cassette de protection 3, déformant l'image réelle de répartition du champ de rayonnement sur l'écran récepteur 1, les fenêtres 6 de la cassette de protection 3 (ou du corps 5) sont inclinées par rapport au rayonnement qui les traverse. Le meilleur résultat est obtenu en plaçant les fenêtres 6 sous des angles de Brewster, c'est-à-dire sous des angles correspondant au pouvoir de réfléchissement minimal du rayonnement enregistré. En plus, pour réduire les réfléchissements parasites par les parois du corps 5, celles-ci sont recouvertes à l'intérieur d'une couche absorbant le rayonnement à enregistrer. La limite du côté des grandes longueurs d'onde du rayonnement à enregistrer est déterminée par les dimensions de l'écran récepteur 1, car la longueur d'onde du rayonnement à enregistrer doit toujours être au moins inférieure à la dimension de l'écran récepteur 1. C'est pourquoi il est préférable de disposer d 'écrans récepteurs à surface réceptrice étendue, qui sont plus commodes pour l'étude rapide et complète de la répartition des champs électromagnétiques, meme pour une longueur d'onde de rayonnement à enregistrer de beaucoup inférieure à la dimension de l'écran récepteur 1.Des supports d'écran récepteur uniformement tendus à diamètre allant jusqu'à plusieurs décimètres peuvent être obtenus en fixant rigidement les supports portant les couches de l'écran 1 sur le cadre 2 formé par deux bagues coniques de diamètres proches (du type "tambour à broder"). A cet effet, écran récepteur 1 est placé sur la bague conique de plus faible diamètre, sur lequel on place la bague conique de plus fort diamètre, en le tendant simultanément sur tout le périmètre de la bague. La conicité des bagues est égale à quelques degrés, par exemple à 1 à JO. Une telle fixation de l'écran récepteur 1, au point de vue technologique, est suffisamment simple et assure sa tension élastique et uniforme. L'exécution d'un écran récepteur 1 de grande dimension, par exemple à diamètre de 1 mètre, est effectuée en assemblant plusieurs écrans de plus petite dimension tendus sur des cadres individuels, qui sont fixés dans une monture commune 15 (figure 5). De tels écrans récepteurs permettent d'enregistrer des ondes radio même de longueur décimétrique ; par ailleurs, les dimensions de l'écran récepteur 1 ne sont en pratique limitées que par la puissance des sources d'excitation ultraviolette 4. Comme sources 4 d'excitation de la couche de luminophore on peut utiliser, par exemple, des lampes à vapeur de mercure à basse pression possédant des encombrements réduits, dont les parois de l'ampoule sont recouvertes d'un luminophore transformant le rayonnement ultraviolet à onde courte, par exemple à t= 254 nm, en un rayonnement à longueur d'onde plus grande, par exemple N 60- 380 nm. Le rayonnement ultra-violet à plus grande longueur d'onde s'associe mieux aux spectres d'excitation des phosphores thermosensibles et assure une efficacité plus grande de l'appareil. De plus, il est moins nuisible pour l'oeil de l'opérateur.Ces lampes sont installées dans les réflecteurs 7 et sont dotées de filtres 8 éliminant le rayonnement visible et laissant passer le rayonnement ultraviolet.Elles nécessitent une puissance électrique beaucoup plus faible et n'ont pas besoin d'un refroidissement forcé. Elles s'allument plus rapidement que les lampes à vapeur de mercure ordinaire (figure 1) à moyenne et grande pression, ce qui est plus commode en service et simplifie la construction de l'appareil. Ces lampes possèdent également une plus faible puissance de rayonnement ultraviolet. C'est pourquoi elles doivent être disposées à proximi- de la surface de l'écran récepteur 1, ce qui d'autre part dégrade l'uniformité nécessaire d'excitation de ce dernier. Pour cette raison, pour obtenir une luminescence uniforme de l'écran récepteur 1, il faut plusieurs lampes de ce type, par exemple 3 ou 4.Ceci permet d'obtenir une uniformité d'excitation allant jusqu'à 10% à des distances atteignant deux diamètres de l'ampoule de la lampe par rapport à la surface de l'écran récepteur 1, ce qui est tout à fait suffisant. A ce point de vue, le mieux est une source toroidale 4 concentrique par rapport à l'écran récepteur 1 (figure 2). Pour la résolution de certains problèmes particuliers, par exemple pour l'holographie, quand on utilise l'appareil pour observer l'image interférentielle de répartition du champ du rayonnement par exemple, dans un domaine infrarouge éloigné, il est avantageux d'utiliser séparément la cassette de protection 3 et la source de rayonnement ultra-violet d'excitation 4, par exemple une lampe à vapeur de mercure à pression moyenne. Dans ce cas,on peut avoir également intérêt à utiliser une cassette de protection 3 non étanche (figure 6). Les fenêtres 6 d'une telle cassette sont exécu tées avec une pellicule fine en matière synthétique, par exemple en Lavsan', de quelques microns d'épaisseur, et sont fixées en utilisant le même principe que pour le montage de l'écran récepteur 1. Les faibles dimensions de la cassette de protection 3 permettent d'utiliser plus parfaitement les possibilités des schémas d'interférence dans le domaine infrarouge éloigné ou à très haute fréquence. La construction de l'appareil permet de remplacer rapidement un écran récepteur 1 par un autre. Ceci permet de travailler avec tout un jeu d'écrans récepteurs possédant des caractéristiques diverses. L'appareil pour l'observation visuelle et la mesure du rayon- nement électromagnétique fonctionne de la façon suivante. Quelques secondes après l'enclenchement sur le réseau d'alimentation des sources de rayonnement ultraviolet 4 (figures 1 et 2) suer l'écran récepteur 1 apparait une luminescence uniforme visible, par exemple dans le domaine vert-jaune, dont l'intensité est suffisante pour l'observation visuelle et la photographie. Puis on procède à l'accord de l'appareil, pour l'ajuster sur les conditions optimales d'exploitation de ses paramètres (constante de temps, pouvoir de résolution, gamme dynamique et sensibilité) en modifiant l'intensité de l'excitation ultraviolette, par exemple en faisant varier le courant de la lampe à rayonnement ultraviolet, la température du thermorégulateur 10 et les conditions d'échange thermique (en évacuant du gaz inerte de la cassette de protection 3 ou en l'y admettant).Puis l'appareil est placé dans le champ du rayonnement à étudier qui, en agissant sur l'écran récepteur luminescent 1,provoque son échauffement local.Ceci entraîne une modification de l'intensité de la luminescence, correspondant à la densité superficielle du rayonnement électromagnétique mesuré. Ainsi, sur l'écran récepteur 1 est formée l'image du champ de rayonnement, qu'on observe visuellement et qui peut être photographiée. La mesure de la répartition du champ du rayonnement électromagnétique étudié est réalisée en le comparant à une source de référence de ce rayonnement possédant une répartition connue, par exemple uniforme, de la densité superficielle du rayonnement.Dans ce ca.,n eroeèdt a la mesure par photométrie et on compare les images photographiques obtenues avec la source de rayonnement de référence connue et de la source à étudier. L'appareil proposé pour l'observation visuelle et la mesure d'un rayonnement électromagnétique peut être largement utilisé pour la simulation des champs électromagnétiques des systèmes réflecteurs, disperseurs et transmetteurs à fort encombrement dans la gamme des ondes à très haute fréquence pour l'accord et l'ajustage des sources correspondantes dans les gammes d'ondes à fréquences supérieures et infrarouge, pour déterminer la structure des modes, la divergence d'un faisceau, la longueur d'onde du rayonnement des lasers infrarouges et des générateurs de fréquences supérieures, pour le contrôle du régime des modes et l'enregistrement des interférogrammes. L'appareil faisant l'objet de la wésente demande de brevet ouvre de larges horizons à diverses utilisations pratiques importantes et variées des sources cohérentes dans les gammes des ondes de fréquences supérieures et infrarouge (pour la défectoscopie, l'introscopie, l'holographie, les systèmes de communication et de détection, etc.). Comme il va de soi et comme il résulte d'ailleurs déjà de ce qui précède, l'invention ne se limite nullement à celui de ses modes d'application, non plus qu'à ceux des modes de réalisatior. de ses diverses parties, ayant été plus particulièrement envisagés elle en embrasse, au contraire, toutes les variantes. REVENDICATIONS 1. Appareil pour l'observation visuelle et les mesures d'un rayonnement électromagnétique, comportant un écran récepteur formé avec un support thermoisolant souple, une couche métallique, absorbant le rayonnement à mesurer, et une couche de luminophore, dont la luminescence est sensible au rayonnement à étudier, superposés, et au moins une source d'excitation du phosphore, caractérisé en ce que l'écran récepteur à support souple , fixé sur un cadre, et au moins une source d'excitation, se trouvant à proximité de celui-ci, sont montés dans un corps possédant des fenêtres pour le passage du rayonnement à étudier. 2. Appareil selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit corps est réalisé étanche. 3. Appareil selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'écran récepteur est formé par des écrans récepteurs distincts fixés sur des cadres individuels, montés dans une monture commune. 4. Appareil selon lune des revendications 1 et 3, caractérisé en ce que ledit cadre est réalisé avec deux bagues coniques, l'une installée dans l'autre, de manière à assurer une tension uniforme du support souple de l'écran récepteur, passé entre elles. 5. Appareil selon l'une des revendications 1 et 7, caractérisé en ce que l'écran récepteur est placé dans une cassette possédant des fenêtres. 6. Appareil selon la revendication 5, caractérisé en ce que la cassette réalisée étanche est dotée d'une valve commandant la pression à l'intérieur. 7. Appareil selon l'une des revendications 1 et 5, caractérisé en ce qu'au moins l'une desdites fenêtres est disposée sous un certain angle par rapport au rayonnement mesuré, par exemple sous l'angle de Brewster. 8. Appareil selon l'une des revendications 5 et 6, caractérisé en ce que la cassette est dotée d'un élément chauffant et d'un thermorégulateur, maintenant la température de l'écran récepteur à un niveau assigné. 9. Appareil selon la revendication 1, caractérisé en ce que la source d'excitation est réalisée sous la forme d'une lampe toroidale.