СПОСОБ И СИСТЕМА ДЛЯ БЕСКОНТАКТНОГО ОПРЕДЕЛЕНИЯ РАДИУСА ПУЧКА ИЗЛУЧЕНИЯ
METHOD AND SYSTEM FOR CONTACTLESS DETERMINATION OF RADIUS OF RADIATION BEAM

Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к способу измерения радиуса пучка излучения.
Оно также относится к системе для осуществления такого способа.
Уровень техники
Известные способы измерения радиуса (и, следовательно, диаметра) пучков излучения используют, например, камеры или механические системы, связанные с измерением мощности.
Однако применение таких способов требует использования дорогостоящего оптического оборудования и/или занимает, как правило, значительное время. Кроме того, например, датчики камер имеют сравнительно небольшие размеры порядка нескольких миллиметров и не позволяют проводить измерения на пучках крупных размеров.
Раскрытие изобретения
Задача, на решение которой направлено настоящее изобретение, состоит в устранении, по меньшей мере, одного из указанных недостатков.
0
Для решения поставленной задачи в соответствии с изобретением предлагается способ измерения радиуса r пучка излучения, отличающийся тем, что включает в себя этапы, на которых:
- источник пучка излучения посредством нагревания возбуждает эталон периодическим образом с некоторой частотой для получения периодического теплового возбуждения эталона;
- датчик измеряет периодическую тепловую реакцию эталона, возникающую в ответ на периодическое тепловое возбуждение;
- обрабатывающий модуль определяет фазовое смещение между периодическим тепловым возбуждением и периодической тепловой реакцией;
причем источник возбуждает эталон на нескольких частотах, а обрабатывающий модуль определяет фазовое смещение для каждой из частот, определяя таким образом несколько фазовых смещений;
- обрабатывающий модуль
- определяет минимум фазового смещения на основе определенных таким образом нескольких фазовых смещений, и
0
- определяет радиус r пучка (20) по формуле вида:
0
min
r =Δ/g(φ),
где Δ - толщина эталона (1), а
g - функция, которая зависит от типа пучка нагревающего излучения.
В оптимальном варианте изобретение дополнительно обладает следующими особенностями, взятыми по отдельности или в любом технически возможном сочетании:
- функция g представляет собой функцию полиномиального типа, причем коэффициенты полинома зависят от типа пучка нагревающего излучения;
0
- обрабатывающий модуль определяет радиус r пучка в мм по формуле:
,
где Δ - толщина эталона в мкм;
0
- для пучка нагревающего излучения однородного типа обрабатывающий модуль определяет радиус r пучка в мм по формуле:
0
при (1,68<r/Δ<10);
0
при (1,68<r/Δ<20); и
0
при (1,68 <r/Δ<100),
где Δ - толщина эталона в мкм;
- источник возбуждает эталон в виде синусоидального периодического возбуждения;
- справедливо соотношение:
0
1,5·Δ≤r≤20·Δ.
В соответствии с изобретением также предлагается система для осуществления данного способа.
Решение по изобретению обладает многочисленными преимуществами.
Оно обеспечивает возможность простого и быстрого измерения радиусов пучков излучения (и, следовательно, определения диаметров пучков) с использованием недорогостоящего оборудования.
Решение по изобретению требует точного знания только толщины эталона, но не его теплопроводности, теплоемкости или плотности.
Эталон может иметь любую форму, например форму трубки или пластины, и быть выполнен из любого однородного материала, т.е. не должен обладать какой-либо определенной электрической и/или магнитной проводимостью, оптической прозрачностью или акустическим импедансом.
0,5
2
Одно из условий проведения измерений состоит в том, что эталон должен находиться в текучей среде или должен быть установлен на подложке с невысокой теплопроводностью или, более точно, должен быть окружен прозрачной средой с коэффициентом тепловой эффузии (величиной, отражающей способность тела или среды к изменению температуры при поступлении в него тепловой энергии и выражаемой в Вт·с/м·K), значительно меньшим, чем у самого эталона (например, воздухом). Однако данное условие не является ограничивающим условием.
Краткое описание чертежей
Другие признаки, задачи и преимущества изобретения станут ясны из нижеследующего описания, приведенного исключительно в иллюстративных целях и не накладывающего каких-либо ограничений, содержащего ссылки на прилагаемые чертежи. На чертежах:
- на фиг. 1 схематически представлен один из возможных вариантов осуществления системы для применения способа измерения радиуса пучка по изобретению,
- на фиг. 2 схематически представлены основные этапы способа измерения радиуса пучка по изобретению,
- на фиг. 3 представлена кривая, отражающая температуру поверхности эталона, подвергаемого периодическому тепловому возбуждению,
0
- на фиг. 4 представлена зависимость минимального фазового смещения и коэффициентов чувствительности от коэффициента термодиффузии для листа толщиной 300 мкм при радиусе пучка r = 3 мм,
-5
2
- фиг. 4(a): коэффициент диффузии равен 0,1 [×10 м/с],
-5
2
- фиг. 4(b): коэффициент диффузии равен 1 [×10 м/с], и
-5
2
- фиг. 4(c): коэффициент диффузии равен 10 [×10 м/с],
0
- на фиг. 5 представлена зависимость минимального фазового смещения и коэффициентов чувствительности от пространственного распределения энергии лазерного пучка для листа толщиной 600 мкм при радиусе пучка r = 3 мм;
- на фиг. 6 представлена номограмма зависимости толщины эталона от минимального фазового смещения для разных значений радиуса нагревающего пучка;
-5
2
- на фиг. 7 представлена зависимость минимального фазового смещения и коэффициентов чувствительности от отношения r0/Δ для листа толщиной 300 мкм при коэффициенте термодиффузии, равном 10 м/с,
0
- фиг. 7(a): отношение r/Δ равно 1,
0
- фиг. 7(b): отношение r/Δ равно 1,5,
0
- фиг. 7(c): отношение r/Δ равно 2,
0
- фиг. 7(d): отношение r/Δ равно 5,
0
- фиг. 7(e): отношение r/Δ равно 20,
0
- фиг. 7(f): отношение r/Δ равно 100;
- на фиг. 8 представлено гауссово распределение энергии в нагревающем пучке; и
- на фиг. 9А, 9В и 9С представлены результаты измерений фазового смещения тепловой реакции в зависимости от частоты возбуждения, соответственно, для эталонов из нержавеющей стали, титана и вольфрама.
На всех чертежах аналогичные элементы обозначены одинаковыми ссылочными позициями.
Осуществление изобретения
0
На фиг. 1 схематически представлен один из возможных вариантов осуществления системы для применения способа по изобретению для измерения радиуса r пучка 20 при помощи эталона 1, толщина 11 которого точно известна, а основные этапы данного способа схематически представлены на фиг. 2.
Эталон 1 может иметь любую форму, например трубки или пластины, и может быть выполнен из любого однородного (т.е. не композитного) материала. Материал, из которого изготовлен эталон, необязательно должен иметь определенную электрическую и/или магнитную проводимость, акустический импеданс или оптическую прозрачность (однако следует иметь в виду, что он должен быть способен поглощать на длине волны возбуждения). В качестве примера, не накладывающего каких-либо ограничений, такой материал может представлять собой нержавеющую сталь, алюминий, титан, вольфрам или сплав указанных металлов, или же углерод.
Эталон 1 может быть помещен в текучую среду с невысокой теплопроводностью или установлен на подложке с невысокой теплопроводностью или, точнее, окружен прозрачной средой с гораздо меньшим коэффициентом тепловой эффузии, чем у самого слоя материала эталона (например, воздухом). Как правило, отношение коэффициентов тепловой эффузии эталона 1 и среды с невысокой теплопроводностью должно составлять порядка 1000.
Система содержит следующие основные элементы:
0
- источник 2 пучка 20 излучения, радиус r которого необходимо определить (поскольку необходимо обеспечить нагревание эталона 1 пучком 20, эталон должен быть непрозрачным для длины волны используемого пучка 20);
- датчик 3 для измерения тепловой реакции эталона, возникающей в ответ на тепловое возбуждение; и
- обрабатывающий модуль (процессор) 4.
0
Источник 2 может представлять собой любой источник пучка 20 излучения, но для обеспечения возможности измерения радиуса r его пучка необходимо, чтобы пучок 20 мог нагревать эталон 1. В качестве примера, не накладывающего каких-либо ограничений, источник 2 может представлять собой лазер или лазерный диод.
Распределение энергии Е(r) в пучке может быть, например, циркулярным, т.е.
,
0
где r - радиус пучка 20,
- гауссовым, т.е.
, или
однородным, т.е.
0
Е(r)=1,0<r<r.
Как будет видно из нижеследующего подробного описания, источник 2 модулирован так, чтобы обеспечить периодическое, например синусоидальное, возбуждение эталона 2. Если источник 2 вырабатывает непрерывный пучок, модуляция может быть обеспечена системой, предусмотренной отдельно от источника 2, например, в виде механического прерывателя (называемого по-английски chopper).
В результате возбуждения эталон 1 имеет тепловую реакцию, причем датчик 3 выполнен с возможностью измерения такой тепловой реакции. Максимум чувствительности датчика 3 зависит от температуры, при которой производят измерения.
Тепловая реакция эталона 1, в частности, но не ограничиваясь этим, может представлять собой:
- тепловое расширение эталона 1;
- изменение отражательной способности поверхности эталона 1, т.е. отношения отраженной энергии к поступающей энергии, обычно выражаемого в децибелах или процентах;
- изменение излучательной способности эталона, т. е. отношения излучаемой им энергии к энергии, излучаемой черным телом при той же температуре, в диапазоне от 0 до 1;
2
2
- изменение яркости, т.е. интенсивности свечения на единицу площади поверхности (м), обычно выражаемой в канделах на квадратный метр (кд/м);
- и т.д.
В качестве примера, не накладывающего каких-либо ограничений, для измерения теплового расширения эталона, и/или изменения отражательной способности поверхности эталона, и/или изменения яркости эталона датчик может представлять собой оптический или акустический датчик.
В примере по фиг. 1, не накладывающем каких-либо ограничений, представлен датчик 3, измеряющий тепловую реакцию, которая представляет собой изменение яркости свечения эталона 1. Используемый при этом датчик 3 представляет собой датчик типа HgCdZnTe, чувствительный в диапазоне от 2 до 11 мкм (средняя часть инфракрасного спектра), т. к. проводимые измерения осуществляют при температурах от 20°C до нескольких сотен градусов Цельсия (как правило, до 200°C). Представленный на фиг. 1 датчик 3 представляет собой датчик марки VIGO со спектральным диапазоном от 3 до 11 мкм и временем реакции 7 нс.
Обрабатывающий модуль 4 в соответствии с известными технологиями содержит все средства из числа средства хранения данных (памяти), обработки информации и вычисления для осуществления способа по изобретению. Он может, в частности, содержать синхронный усилитель детектирования, известный как таковой специалистам в данной области, для измерения фазового смещения, как описано ниже. Разумеется, может быть предусмотрено наличие и других средств обработки информации помимо синхронного усилителя детектирования.
Для обеспечения возможности измерения фазового смещения между тепловым возбуждением эталона 1 и тепловой реакцией эталона 1 на возбуждение обрабатывающий модуль 4 соединен, с одной стороны, с датчиком 3, а с другой стороны, со вспомогательным датчиком 5, непосредственно измеряющим возбуждение эталона 1. Датчик 5 в оптимальном варианте представляет собой кремниевый фотодиод. Прямое измерение возбуждения эталона 1 вспомогательным датчиком 5 позволяет не учитывать в вычислениях для измерения толщины паразитное фазовое смещение, вызванное источником 2. Указанное паразитное фазовое смещение может быть связано, например, с:
- фазовым смещением между электрическим сигналом генератора 21 источника 2 и испусканием пучка 20 лазером 22 источника 2;
- фазовым смещением между испусканием пучка 20 лазером 22 источника 2 и реальным возбуждением эталона 1;
- и т.д.
Подразумевается, что обрабатывающий модуль 4 также может быть соединен с источником, а не со вспомогательным датчиком, если в вычислениях для измерения толщины учитывают фазовое смещение, вызванное источником 2.
0
В соответствии с одним из возможных вариантов осуществления способа измерения радиуса r пучка 20 на этапе S1 источник 2 производит периодическое возбуждение эталона 1 при помощи пучка 20 для получения периодического теплового возбуждения эталона 1 путем нагревания.
Как видно из кривой С1 на фиг. 3, такое периодическое возбуждение может иметь, например, синусоидальную форму, но также может представлять собой и другое периодическое возбуждение, например, в виде квадратной волны или иной формы. Например, кривая С1 по фиг. 3 построена для частоты f возбуждения, соответствующей периоду в одну секунду.
Как можно видеть из кривой С2 на фиг. 3, на этапе S2 датчик 3 измеряет периодическую тепловую реакцию эталона 1, возникающую в ответ на периодическое тепловое возбуждение. Например, в данном случае тепловая реакция представляет собой изменения яркости свечения эталона, вызванные изменениями температуры эталона 1.
На этапе S3 обрабатывающий модуль 4 экспериментально определяет фазовое смещение φ между периодическим тепловым возбуждением и периодической тепловой реакцией, т.е. сдвиг между, например, некоторой вершиной кривой С1 и соответствующей ей вершиной кривой С2.
Источник 2 возбуждает эталон 1 на нескольких частотах f (как правило, таких частот может быть порядка 15, причем они расположены в диапазоне, например, от 1 Гц до 10 кГц и зависят от используемого эталона), а обрабатывающий модуль 4 определяет величину фазового смещения для каждой из частот f возбуждения, определяя таким образом несколько фазовых смещений φ.
min
min
min
На этапе S4 обрабатывающий модуль 4 определяет минимальное значение φ фазового смещения φ по уже определенным таким образом нескольким фазовым смещениям. Для определения φ путем интерполяции набора величин фазового смещения, определенных обрабатывающим модулем 4, и определения минимума φ используют методику, известную специалистам в данной области, например полиномиальную интерполяцию или другую интерполяцию.
min
0
Определение φ важно для определения радиуса r.
min
0
Действительно, авторы изобретения обнаружили, что, как видно из фиг. 4, значение φ совершенно неожиданно не зависит от изменения термических свойств эталона и позволяет определить радиус r, как описано ниже.
ПРЕДВАРИТЕЛЬНЫЙ ЭТАП
На фиг. 4 представлена фазочастотная характеристика φ(f), соответствующая уравнению (Е1), известному специалистам в данной области:
,
где ,
причем
,
, ,
где ξ - независимая переменная,
с - удельная теплоемкость (в Дж/кг·K),
3
ρ - плотность (в кг/м),
k - теплопроводность (в Вт/м·K),
2
-1
R - возможное тепловое сопротивление между эталоном и средой (в мK·Вт),
а
-1
- коэффициент поглощения эталона на длине волны возбуждения (в м), а индексы c и s обозначают, соответственно, эталон и среду.
Для лучшего понимания влияния каждого из параметров на фазочастотную характеристику φ(f) по фиг. 4 (и, следовательно, возможности извлечения данных параметров из такой характеристики) проводится численный анализ чувствительности для каждого из указанных теплофизических параметров эталона 1.
Для этого определяют приведенные коэффициенты X чувствительности, получаемые путем моделирования:
.
Каждый коэффициент X чувствительности отражает изменение фазы φ при данном относительном изменении параметра χ. Более того, подразумевается, что параметр χ может быть определен только в том случае, если фаза φ чувствительна к его изменению.
На фиг. 4 представлены графики коэффициентов X чувствительности для следующих параметров χ:
- толщины Δ эталона 1;
0
- радиуса r пучка 20 нагревающего излучения;
C
- теплопроводности k эталона 1; и
C
C
- теплоемкости cρ эталона 1.
2
-5
2
-5
2
-5
2
Так, кривые, представленные на фиг. 4, были построены при разных численных значениях, например, коэффициента термодиффузии эталона, т.е. физической величины, которая характеризует передачу тепла от одной точки эталона к другой благодаря его теплопроводности; коэффициент термодиффузии равен отношению теплопроводности к объемной теплоемкости; его измеряют в м/с и обычно обозначают буквой а. На фиг. 4 коэффициент термодиффузии имеет значения 0,1·10 м/с (фиг. 4(a)), 1·10 м/с (фиг. 4(b)) и 10·10 м/с (фиг. 4(c)).
min
Из фиг. 4 видно, что хотя изменение тепловых свойств эталона 1 - в данном случае коэффициента термодиффузии - в самом деле приводит к сдвигу кривых фазового смещения φ в область более высоких частот по мере роста коэффициента термодиффузии, однако минимум фазового смещения φ остается независимым от коэффициента термодиффузии и сохраняет постоянное значение.
min
c
C
C
C
C
C
min
0
min
0
min
c
C
C
Кроме того, видно, что для значения частоты возбуждения, дающей φ, коэффициенты Хφ,k и Хφ,cρ чувствительности становятся нулевыми, т.е. на данной частоте фаза не зависит ни от теплопроводности k эталона 1, ни от пиковой теплоемкости cρ эталона 1. Однако при данном значении частоты возбуждения φ зависит от толщины Δ эталона 1 и от радиуса r пучка 20 нагревающего излучения (т.к. соответствующие коэффициенты чувствительности не равны нулю и, более того, коррелируют один с другим: это означает, что значение φ зависит от отношения Δ/r). Как видно из фиг. 5, хотя частота возбуждения, дающая минимум φ, и его абсолютное значение изменяются в зависимости от формы пучка (для соответственно циркулярного, гауссова и однородного распределения энергии в пучке), они не зависят от коэффициента термодиффузии (т.к. соответствующие коэффициенты φ,k и Хφ,cρ чувствительности не равны нулю).
min
0
C
C
C
Другими словами, при известной толщине Δ по величине φ можно определить значение радиуса r пучка 20, не зная ни значения теплопроводности k эталона 1, ни значения его теплоемкости cρ.
0
Однако не существует аналитической формулы, которая прямо выражала бы зависимость значения радиуса r пучка 20 от:
min
- минимума φ фазового смещения и
- толщины Δ.
0
Вследствие этого на предварительном этапе способа по изобретению производят построение семейства кривых по фиг. 4 на основе численных расчетов по формуле (Е1) для разных численных значений толщины Δ и радиуса r.
min
min
0
На основе набора полученных таким образом численных значений φ строят кривые, представленные на фиг. 6, связывающие значение толщины Δ с каждым из полученных численных значений φ, например для трех численных значений радиуса r гауссова пучка 20 нагревающего излучения, а именно 10 мм, 1 мм и 100 мкм (следует помнить, что при другом пространственном распределении пучка кривые также были бы другими).
0
min
0
Видно, что кривые, представленные на фиг. 6 и полученные в результате численных расчетов, для разных значений r взаимно параллельны, из чего следует, что фаза φ зависит от отношения Δ/r.
0
Кривые, представленные на фиг. 6, получены численно; однако, также в рамках вышеупомянутого предварительного этапа, может быть найдена аналитическая функция g, аппроксимирующая указанные численные кривые, как показывает пунктирная кривая, представленная на фиг. 6 (пример полиномиальной аппроксимации третьей степени для кривой, построенной для значения r, равного 10 мм).
min
Таким образом, на основе одной из численных кривых, представленных на фиг. 6, определяют аппроксимирующую функцию g(φ), такую, что:
0
min
Δ/r=g(φ),
где g - функция, зависящая от типа пучка 20 нагревающего излучения.
Функция g может иметь любой вид, обеспечивающий аналитическую аппроксимацию одной из кривых, представленных на фиг. 6.
0
В предпочтительном варианте, не накладывающем однако каких-либо ограничений, функция g представляет собой функцию полиномиального типа (см. фиг. 6), причем коэффициенты полинома зависят от типа пучка 20 нагревающего излучения. Степень полинома может быть любой (чем больше значение отношения r/Δ, тем более высокой степени полином необходим для достижения высокой точности), например 5, 4 или 3.
Так, такая функция g может быть образована по формуле следующего вида (полином третьей степени):
,
0
где четыре параметра (α, β, γ, δ) зависят от типа пучка нагревающего излучения, величина Δ выражена в мкм, а величина r - в мм.
Например, как видно из фиг. 6, для пучка 20 нагревающего излучения гауссова типа функция g определена формулой:
В другом примере для пучка 20 нагревающего излучения однородного типа:
0
при (1,68<r/Δ<10);
0
при (1,68<r/Δ<20)\
0
при (1,68<r/Δ<100).
Хотя определение аппроксимирующей функции g для одной из кривых по фиг. 6 производят на предварительном этапе осуществления способа по изобретению (например, перед этапом S1), оно не соответствует этапу калибровки относительно эталона, предусмотренному в известных решениях.
min
Действительно, кривые, представленные на фиг. 4, получают численно на основе соотношения (Е1), а кривые, представленные на фиг. 6, отражающие численные значения φ, как было показано выше, не зависят от свойств материала эталона 1.
Построение кривых, представленных на фиг. 4 и 6, и определение функции g путем интерполяции могут быть осуществлены при помощи известных способов обработки данных и вычислений, например, хотя и необязательно, обрабатывающим модулем 4.
Завершив описание указанного предварительного этапа определения g, продолжим описание примера осуществления способа по изобретению.
min
0
После экспериментального определения значения φ на этапе S4 обрабатывающий модуль 4 может на этапе S5 по набору значений φ для данного эталона 1 определить радиус r по формуле следующего типа:
0
min
r=Δ/g(φ)
0
В приведенных выше примерах, поскольку пучок нагревающего излучения относится к гауссову типу, обрабатывающий модуль 4 определяет на этапе S5 значение радиуса r в мм по формуле:
,
где Δ - толщина эталона 1 в мкм.
0
Аналогичным образом, для пучка нагревающего излучения однородного типа обрабатывающий модуль 4 определяет значение радиуса r в мм по формуле:
0
при (1,68<r/Δ<10);
0
при (1,68<r/Δ<20); и
0
при (1,68<r/Δ<100),
где Δ - толщина эталона 1 в мкм.
-5
2
0
На фиг. 7 представлены результаты моделирования величин фазового смещения для эталона 1 с коэффициентом термодиффузии а=10 м/с и толщиной 300 мкм для разных значений отношения r/Δ.
c
C
C
0
0
0
Из графиков, приведенных на фиг. 7, видно, что в случае равенства данного отношения 1 (фиг. 7(a)) минимума для коэффициентов Хφ,k и Хφ,cρ чувствительности не существует. Экстремумы, не зависящие от термодиффузии, возникают начиная со значения данного отношения r/Δ≈1,5 (фиг. 7(b)). По мере дальнейшего увеличения значения отношения r/Δ чувствительность минимума к толщине слоя падает, а при стократном превышении радиуса r над толщиной Δ (фиг. 7(f)) выделение минимума становится, по существу, невозможным. Таким образом, получаем соотношение:
0
1,5·Δ≤r≤20·Δ
Как видно из графиков, представленных на фиг. 9, измерения были проведены для:
- эталонов в виде листов из нержавеющей стали толщиной от 100 до 400 мкм (фиг. 9А);
0
- эталона в виде пластины из титана толщиной 1,3 мм (r=2,07 мм) (фиг. 9В); и
0
- эталона в виде пластины из вольфрама толщиной 1 мм (r=2,07 мм) (фиг. 9С).
Разумеется, участки чрезмерно высокой частоты возбуждения учитывать не следует.
0
Во всех случаях, проиллюстрированных на фиг. 9, полученная точность измерения радиуса r составляла от 2% до 10%, причем, как правило, это значение было порядка 5%.