СПОСОБ КАЛИБРОВКИ ДАТЧИКА, СОДЕРЖАЩЕГО ТЕРМОЧУВСТВИТЕЛЬНЫЙ ЭЛЕМЕНТ
METHOD OF CALIBRATING SENSOR CONTAINING HEAT-SENSITIVE ELEMENT

Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано для калибровки датчиков, содержащих термочувствительные элементы (ТЧЭ), например болометра.
Для определения интегральной энергии источника излучения по изменению сопротивления термочувствительного элемента болометра обычно используют известные соотношения [Ю.Л. Бакшаев, С.А. Данько, Е.Е. Соколов и др. // Вопросы атомной науки и техники. Сер. Термоядерный синтез, 2011, вып. 1, с. 54-62 - аналог]. Однако расчет по этим формулам не всегда является корректным по нескольким причинам. Во-первых, во многих конструкциях болометров присутствует отток тепла от термочувствительного элемента в диэлектрическую подложку, что занижает реальный нагрев ТЧЭ. Во-вторых, не учитываются контактные сопротивления при подключении ТЧЭ к источнику питания, что увеличивает включаемое в измерения сопротивление болометра. В-третьих, физические свойства применяемых ТЧЭ не всегда соответствуют своим табличным величинам (особенно ТЧЭ, полученные методом гальванического осаждения металла, напыления и т.д.). Эти обстоятельства делают необходимым проведение калибровки датчика, содержащего ТЧЭ.
Известен способ калибровки ТЧЭ болометра [R.В. Spielman, С. Deeney, D.L. Fehl et al. // Rev. Sci. Instrum., 1999, v. 70, p. 651-655 - прототип], в котором калибровка термочувствительного элемента выполняется посредством измерения сопротивления ТЧЭ при его контролируемом нагреве в вакуумной печи посредством термометра. По результатам измерений строится зависимость сопротивления ТЧЭ от температуры нагрева. К недостаткам данного вида калибровки можно отнести то, что вложенная в ТЧЭ энергия рассчитывается с использованием табличных величин, которые могут отличаться от реальных значений для конкретных ТЧЭ. Кроме того, существуют погрешности при измерении температуры ТЧЭ из-за тепловых процессов, сопровождающих нагрев ТЧЭ. Суммарная погрешность измерений оценивается авторами на уровне 10%.
Задача состоит в следующем. В экспериментах по генерации импульсов мягкого рентгеновского излучения (МРИ) на мощных Z-пинч установках применяются различные наборы детекторов (вакуумные и полупроводниковые диоды и т.д.). Важным дополнением к этим датчикам служат датчики, содержащие ТЧЭ, например болометры, позволяющие не только измерить полную по спектру мощность импульса МРИ, но и провести калибровку других детекторов (например, вакуумных диодов). Для уменьшения ошибки измерения болометром требуется его предварительная калибровка. В связи с этим возникла необходимость в разработке способа калибровки, применение которого дает возможность построить калибровочную характеристику болометра.
Технический результат состоит в увеличении точности восстановления интегральной энергии источника излучения при измерении изменения сопротивления термочувствительного элемента датчика, содержащего ТЧЭ (болометра).
Данный технический результат достигается тем, что в отличие от известного способа калибровки датчика, содержащего термочувствительный элемент (ТЧЭ), основанного на измерении изменения сопротивления ТЧЭ при его контролируемом нагреве, в заявляемом устройстве обеспечение контролируемого нагрева осуществляют посредством пропускания импульса электрического тока через ТЧЭ, при этом определяют начальную величину (амплитуду и длительность) электрического импульса по теоретически рассчитанной величине максимальной энергии, которую можно вложить в ТЧЭ с учетом рабочего диапазона температур для конкретного ТЧЭ, подают этот начальный электрический импульс на ТЧЭ, в течение длительности данного начального электрического импульса измеряют изменение сопротивления ТЧЭ путем регистрации тока и напряжения на ТЧЭ, устанавливают зависимость изменения сопротивления ТЧЭ от величины вложенной в него энергии электрического импульса, полученной при интегрировании произведения зарегистрированных напряжения и тока электрического импульса в ТЧЭ, результатом калибровки является построение калибровочной кривой, характеризующей зависимость изменения сопротивления ТЧЭ от вложенной в него энергии.
В прототипе при калибровке регистрируется зависимость сопротивления ТЧЭ от температуры при его нагреве, что позволяет в экспериментах лишь оценить сопротивление ТЧЭ при изменении его температуры. Данный результат является промежуточным для расчета энергии, поглощенной ТЧЭ, и недостаточным для восстановления энергии источника излучения (измерение является косвенным). Основным преимуществом заявляемого способа калибровки является возможность получения прямой зависимости изменения сопротивления ТЧЭ от поглощенной им энергии, что и является калибровочной характеристикой датчика, содержащего ТЧЭ (болометра). Энергия, поглощенная ТЧЭ при калибровке, определяется достаточно точно как интеграл произведения величин импульсов тока и напряжения на ТЧЭ. Такой способ калибровки учитывает реальные величины физических свойств ТЧЭ, контактные сопротивления в цепи питания ТЧЭ и повышает точность процедуры восстановления энергии МРИ из полученных осциллограмм во взрывных и лабораторных экспериментах.
На фиг. 1 изображена схема устройства, с помощью которого реализован способ калибровки термочувствительных элементов болометра.
На фиг. 2 представлен внешний вид устройства калибровки.
На фиг. 3 показана калибровочная характеристика ТЧЭ (зависимость изменения сопротивления ТЧЭ от поглощенной им энергии).
Практически реализован (на этапе, предшествующем эксперименту с плазменным пинчем) способ с помощью устройства для калибровки болометра, схема и внешний вид которого представлены на фигурах 1 и 2 соответственно. На элементах VT1, R1, VD1 (фиг. 1) собран источник тока 1, D1 - стабилизатор питания, DA1 - оптоэлектронная схема управления, на вход которой подается оптический импульс от блока управления и синхронизации, VT2, R2, R3 - электронный ключ 2, С1 - накопительный конденсатор, R4 - калибровочный резистор, предназначенный для контроля параметров тока калибровки, R5 - калибруемый ТЧЭ болометра. К контрольным точкам A, B, C, D подключается измерительная аппаратура контроля параметров калибровки (тока и напряжения на ТЧЭ). Энергия калибровочного импульса регулируется изменением напряжения питания и длительности импульса тока. Амплитуда тока в ТЧЭ при этом может достигать до 60 А, а вкладываемая в ТЧЭ энергия - до 85 мДж. Конструктивно устройство собрано в металлическом корпусе (фиг. 2), на передней панели которого расположены оптический разъем 3 для коммутации с блоком управления и синхронизации запуском устройства и разъем 4 контроля тока, протекающего через ТЧЭ калибруемого болометра.
Перед проведением калибровки определяют начальную величину (амплитуду и длительность) электрического импульса по теоретически рассчитанной величине максимальной энергии, которую можно вложить в ТЧЭ с учетом рабочего диапазона температур для конкретного ТЧЭ. Формирование импульса тока с заданной длительностью и амплитудой определяется величиной напряжения питания источника тока 1 и длительностью оптического импульса запуска устройства, подаваемого от внешнего блока управления и синхронизации на вход оптоэлектронной схемы DA1. Этот импульс тока подается на ТЧЭ, поглощается им, что приводит к нагреву и изменению его сопротивления. Изменение сопротивления определяется из отношения изменения напряжения на ТЧЭ (регистрируют на осциллографе с точек С, D) к протекающему через него току (значения тока регистрируют с резистора R4 точек А, В). Из полученных осциллограмм импульсов тока и напряжения на ТЧЭ методами дальнейшей математической обработки (интегрированием произведения зарегистрированных напряжения и тока на ТЧЭ) получаются зависимости сопротивления ТЧЭ, поглощенной им энергии в калибровочном импульсе, температуры ТЧЭ от времени длительности импульса. Результатом калибровки является построение калибровочной зависимости (фиг. 3) изменения сопротивления ТЧЭ от поглощенной им энергии. Эта зависимость по результатам взрывных и лабораторных экспериментах по измерению энергии мощных импульсов МРИ позволяет с достаточной точностью определить поглощенную ТЧЭ болометра энергию, что в дальнейшем значительно повышает точность (до 10%) восстановления энергии, излучаемой плазменным пинчем в эксперименте.