Способ измерения энергии излучения инфракрасного и терагерцового диапазонов
METHOD OF MEASURING ENERGY OF RADIATION OF INFRARED AND TERAGERTZ RANGES

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения энергии излучения инфракрасного и терагерцового диапазонов.
В связи с появлением источников излучения в дальнем инфракрасном и терагерцовом диапазонах длин волн, которые имеют большие перспективы применения в различных сферах биологии, медицины, безопасности, а также для обнаружения наркотических и взрывоопасных веществ, оказываются остро востребованы и соответствующие способы регистрации излучения данных диапазонов.
Известен оптико-акустический 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 зеркальную мембрану, являющуюся частью одной из стенок камеры, и оптический микрофон [Оптико-акустический приемник // Евразийский патент №011914, МПК7 G02F 1/11, 2009]. При поглощении пленкой падающего на нее оптического излучения происходит ее нагрев 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. Благодаря широкому спектру поглощения поглощающей пленки данный способ имеет чувствительность в области инфракрасного и терагерцового диапазонов длин волн.
Недостатками этого способа являются сравнительно большая инерционность и подверженность мембраны к акустическим и вибрационным воздействиям.
Наиболее близким по принципу действия является способ измерения энергии оптического и свч-излучения [Патент РФ №2208224, МПК7 G01J 5/58, 2003]. Данный способ измерения энергии излучения подразумевает введение излучения в герметическую камеру, заполненную поглощающим его газом, через который пропускают акустические импульсы и измеряют посредством регистрации изменения скорости их прохождения величину нагрева газа, вызванного поглощением излучения. Согласно данной величине определяют энергию оптического излучения. В отличие от описанного выше способа данный способ обладает меньшей инерционностью и не имеет восприимчивости к акустическим и вибрационным шумам.
Однако основным его недостатком является низкая точность измерений. Это обуславливается двумя факторами. Во-первых, поглощение излучения осуществляется газом, которым наполнена камера. Ввиду того, что коэффициент поглощения каждого газа сильно зависит от длины волны, это приводит к тому, что величины нагрева газа внутри камеры будут различаться при измерении энергии излучений из разных диапазонов длин волн.
Во-вторых, используемый газ для поглощения излучения может обладать высокой скоростью распространения звука, а точность измерения скорости распространения акустических импульсов обратно пропорциональна их величинам.
Таким образом, используемое в данном способе поглощение газом в общем случае приводит к низкой точности измерений.
Задачами, на решение которых направлено изобретение, являются обеспечение слабо зависящего от длины волны поглощения излучения, а также повышение точности измерений скорости звука внутри камеры.
Технический результат - повышение точности измерений энергии излучения.
Указанный результат достигается тем, что, как и в прототипе, в предлагаемом способе измерения энергии излучения инфракрасного и терагерцового диапазонов оптическое излучение направляют в герметичную камеру, заполненную газом, и измеряют величину его нагрева, обусловленного поглощением излучения внутри камеры, посредством измерения скоростей прохождения акустических импульсов сквозь газ, на основании которой определяют искомую величину энергии излучения.
Однако в отличие от прототипа поглощение излучения осуществляется не газом, а поглощающей пленкой, установленной внутри камеры, при этом камера заполнена ксеноном.
В отличие от газа поглощающая пленка может быть выполнена из такого материала, что ее коэффициент поглощения практически не будет зависеть от длины волны. В свою очередь, это обеспечит равную величину нагрева газа внутри камеры, обусловленную поглощением излучения с эквивалентной энергией из разных спектральных диапазонов. В дополнение к этому использование обладающего низкой удельной теплоемкостью ксенона для наполнения камеры также обеспечит повышение точности измерений скорости распространения акустических импульсов ввиду того, что он обладает низкой скоростью распространения звука (~170 м/с при 0°C).
На чертеже изображена схема устройства для осуществления предлагаемого способа.
Устройство состоит из герметичной камеры 1, входного окна 2, электроакустических преобразователей 3, 4, поглощающей пленки 5, блока электроники 6.
Способ осуществляется следующим образом.
Измеряемое оптическое излучение сквозь прозрачное входное окно (2) направляется внутрь герметичной камеры (1), которая наполнена ксеноном. Излучение поглощается пленкой (5), что приводит к ее нагреву на величину, пропорциональную величине падающего излучения. Выделяющееся с пленки тепло передается ксенону, через который пропускают акустические импульсы от электроакустического преобразователя (3), выполняющего роль источника, до электроакустического преобразователя (4), выполняющего роль приемника. Подача электрических импульсов на преобразователь (3) и измерение скорости распространения акустических импульсов посредством измерения времени их пролета до преобразователя (4) осуществляется посредством блока электроники (6).
В свою очередь, скорость звука (с) в газе однозначно связана с его температурой (Т) соотношением
p
v
где χ=C/C - отношение теплоемкостей данного газа при постоянном давлении и постоянном объеме, R - универсальная газовая постоянная, μ - молекулярный вес газа.
В соответствии с этим изменение температуры газа может быть определено из соотношения
1
2
1
2
где c и c - скорости распространения звука в газе при температурах T и T соответственно.
1
2
Таким образом, нагрев газа внутри камеры, обусловленный поглощением оптического излучения величиной (Е) может быть определен посредством измерения скоростей звука в данном газе до воздействия излучения (c) и после (c)
где k - коэффициент пропорциональности, который может быть рассчитан аналитически либо определен эмпирически путем калибровочных измерений.
Поглощающая излучение пленка 5, как вариант, может быть выполнена из нитроцеллюлозы и покрыта тонким слоем алюминия.