УСТРОЙСТВО ДЛЯ ДЕТЕКТИРОВАНИЯ УЛЬТРАФИОЛЕТОВОГО ИЗЛУЧЕНИЯ В УФ-С ДИАПАЗОНЕ

Заявляемая полезная модель относится к фотометрии, а более конкретно к устройству для детектирования ультрафиолетового излучения в так называемом УФ-С диапазоне (200-280 нм).
Интерес к этой области обусловлен тем, что УФ диапазон имеет сравнительно низкий уровень фоновых помех. Основным источником естественных помех оптического диапазона является солнечная радиация. Однако благодаря озоновому слою планеты, а также атмосфере, основная часть солнечной УФ радиации блокируется.
Отсутствие естественных помех, обусловленных солнечной радиацией, низкий уровень фоновых помех в УФ-С диапазоне, делает этот солнечнослепой диапазон весьма привлекательным для создания фотоприемной аппаратуры, решающей различные технические задачи.
Известно устройство для детектирования ультрафиолетового излучения в УФ-С диапазоне (патент США №6104297, «Corona discharge detection system», МПК G08B 17/12; опубл. 15 августа 2000 г.), которое регистрирует УФ-С излучение в диапазоне 185-260 нм. Известное устройство содержит объектив, блок детектирования излучения и блок питания. Блок детектирования генерирует электрический сигнал в ответ на регистрацию ультрафиолетового излучения в заданном диапазоне. Затем этот электрический сигнал генерирует сигнал тревоги. Кроме того, эта система может дополняться устройством определения направления источника ультрафиолетового излучения.
Существенным недостатком этой системы детектирования УФ-С излучения, предназначенной для дистанционной диагностики высоковольтных линий электропередач, является то, что с его помощью можно только получить сигнал тревоги о наличии УФ-С излучения и только с помощью дополнительного устройства определить направление источника этого сигнала. Получить какую-либо количественную информацию и сделать соответствующие выводы о состоянии элементов высоковольтных установок переменного тока невозможно.
Технической задачей настоящего изобретения является создание универсального устройства для детектирования ультрафиолетового излучения в УФ-С диапазоне с возможностью определения не только координат регистрируемого УФ фотона и нахождения, таким образом, угловых координат источника излучения, но и определение времени его прихода с не точностью.
Техническим результатом является возможность нахождения временной зависимости регистрируемой интенсивности УФ-С излучения, частотного ее анализа и определения на этой основе, как типа регистрируемого источника, так и высокочастотных особенностей излучения.
Поставленные техническая задача и результат достигаются в результате того, что в устройстве для детектирования ультрафиолетового излучения в УФ-С диапазоне, содержащем объектив, блок детектирования излучения и блок питания, в качестве блока детектирования излучения применен монофотонный время-координатно-чувствительный датчик, который подключен к блоку электроники, обеспечивающему управление и обработку данных, полученных с блока детектирования, причем блок электроники соединен с внешним модулем отображения или компьютером. Объектив устройства содержит линзы, кристалл, обеспечивающий пропускание волн излучения заданного УФ-С диапазона и подавление волн солнечного излучения других диапазонов, а также фильтры ультрафиолетового излучения. При этом объектив обеспечивает пропускание длин волн в диапазоне 250-280 нм. Монофотонный время-координатно-чувствительный датчик, содержит последовательно установленные фотокатод, сборку микроканальных пластин, систему корректирующих линз и коллектор, позволяющий определять угловые координаты источника УФ-С излучения и время прихода фотона УФ-С излучения с не точностью. Блок детектирования может быть подключен к видеокамере, синхронизированной с ним по времени работы и позволяющей документировать результаты съемок.
Существо полезной модели поясняется на представленных фигурах.
Фиг.1 - схема устройства для детектирования ультрафиолетового излучения в УФ-С диапазоне.
Фиг.2 - схема монофотонного время-координатно-чувствительного датчика.
Фиг.3 - фотография разработанного и испытанного устройства для детектирования ультрафиолетового излучения в УФ-С диапазоне под названием «Корона».
Устройство содержит объектив - 1, в котором используются линзы - 2, кристаллы 3 и УФ-фильтры 4, обеспечивающие пропускание заданного УФ-С диапазона и подавление других длин волн, блок детектирования излучения, в качестве которого применен монофотонный время-координатно-чувствительный датчик (ВКЧД) - 5, блок электроники - 6, блок питания - 7 и модуль отображения или внешнего компьютера - 8.
-14
Устройство работает следующим образом. Фотон “ν” от источника УФ-С излучения попадает в объектив 1. Объектив служит для формирования изображения на поверхности фотокатода ВКЧД 5. Объектив пропускает фотоны УФ-С излучения и подавляет все остальные длины волн. Коэффициент подавления фотонов с длинами волн отличными от УФ-С излучения благодаря оптической системе и ВКЧД может достигать 10. Вследствие этого и обеспечивается солнечно-слепой режим регистрации УФ-С излучения, и устройство может работать в условиях интенсивного солнечного излучения, попадающего в объектив. Прошедший через объектив 1 фотон УФ-С излучения попадает на фотокатод ВКЧД. Схема ВКЧД представлена на фиг.2. ВКЧД содержит фотокатод 11, сборку из микроканальных пластин (МКП) - 12, 13, систему корректирующих линз 14-16 и коллектор - 17. Выбитый из фотокатода 1 фотоэлектрон “е” попадает на сборку из микроканальных пластин (МКП) - 12, 13, где на основе электронной лавины происходит размножение электронов. На выходе из второй МКП лавина электронов проходит систему корректирующих линз 14-16 и попадает на коллектор - 17.
Коллектор 17 имеет сложную конструкцию (например, в виде системы квадрантов или клинья полосатую конструкцию), которая позволяет определять центр электронной лавины, который соответствует координате попавшего на фотокатод фотона (центр лавины условно считается координатой попадания фотона на фотокатод). Так как всегда имеет место искажение формы достигающей коллектор электронной лавины (особенно на краях коллектора), то должна производиться калибровка по измерению координат известного по положению источника и на основе этой калибровки проведение коррекции измеренных координат прихода фотонов.
Время прихода фотона с точностью порядка 1 нс и лучше определяется по сигналу, который может, например, сниматься с пластины МКП, коллектора или дополнительного электрода в виде сетки между МКП и коллектором.
Электроника, включающая процессор, обеспечивает управление работой ВКЧД, обработку сигналов с коллектора, проведение исправлений координат согласно заранее проведенным калибровочным измерениям. Эта электроника также производит хранение координат и время прихода фотонов. Электроника имеет разъем, позволяющий подключать внешний модуль отображения или компьютер для более сложной обработки и визуализации данных, полученных устройством (в мобильном варианте прибор комплектуется автономным источником питания).
Встроенный процессор производит определение координат источника УФ-С излучения, проведение исправлений координат согласно заранее проведенным калибровочным измерениям, и проводит частотный анализ амплитудно-временных характеристик регистрируемого сигнала. Управляющая программа позволяет накапливать координаты сигналов с сенсора и выводить их на экран модуля отображения или компьютера в виде двумерной картинки.
Частотный анализ время-амплитудной зависимости интенсивности регистрируемого УФ излучения может проводится различными методами, в частности, методом Фурье, методом вейвлет преобразований и т.п.
Предложенное устройство может быть снабжено видеокамерой, синхронизированной по времени с работой сенсора. Это позволяет документировать результаты съемок.
Кроме того, можно использовать два и более предложенных устройств, образующих базу, и обеспечивающих больший (вплоть до кругового) обзор местности. Это также позволяет определять дальность до источника излучения УФ-С излучения методом триангуляции.
На фиг.3 приведена фотография разработанного и испытанного устройства для детектирования ультрафиолетового излучения в УФ-С диапазоне под названием «Корона». Основные характеристики перечислены в таблице.
1.
Поле зрения, градусы
120
2.
Точность оценки координат точки, град.
лучше 0,2
3.
Временное разрешение, нс
лучше 1
4.
Энергопотребление, Вт
20
5.
Возможность работы в условиях перерывов питания, сек
до 5
6.
Масса, кг
5
7.
Операционная система реального времени
Linux
8.
Спектральный диапазон, нм
250-280
9.
Рабочая температура, С
От -55 до +60
10.
Объем внутренней памяти для хранения данных, Гб
8 Гб
11.
Интенсивность шумовых фотонов со всей поверхности фотокатода, 1/с
100
13
Габариты L<sup>∗</sup>W<sup>∗</sup>H, мм
250<sup>∗</sup>170<sup>∗</sup>178
Разработанное устройство может найти применение в самых различных областях, как науки, так и техники. Одним из практически важных приложений является использование этого устройства для дистанционной диагностики электроустановок переменного тока высокого напряжения и, в частности, линий электропередач. Это связано с тем, что на таких электроустановках, и особенно на электроизоляторах ЛЭП возникает коронный разряд, при котором возникает УФ излучение. При нарушениях электроизоляторов в коронном разряде начинают возникать так называемые частичные разряды (ЧР). Эти ЧР, с одной стороны, свидетельствуют о неисправностях изоляторов, а с другой стороны, ведут к еще большему разрушению этого изолятора. Наличие возможности время-амплитудного анализа позволяет при использовании разработанного устройства не только регистрировать наличие коронного разряда, но и проводить количественные оценки интенсивности частичных разрядов и некоторых других важных характеристик коронного разряда.
Разработанное устройство может также применяться для регистрации временной зависимости при исследования процессов горения. Возможность такой регистрации процессов возгорания при наличии интенсивного солнечного излучения также может найти интересные приложения в технике.
Предложенное устройство может использоваться в системах оптической локации. Возможным решением данной задачи является применение оптического локатора в УФ-С диапазоне длин волн, состоящего из широкоугольного источника УФ-С излучения, «подсвечивающего» объект, и предложенного устройства для детектирования ультрафиолетового излучения в УФ-С диапазоне.
Также предложенное устройство может использоваться для регистрации маяков, излучающих в УФ-С диапазоне, в сложных погодных условиях.
Предложенное устройство дает возможность обнаружения и изучения динамики процесса горения путем регистрации ультрафиолетовой части излучения. Это позволяет обнаруживать очаги возгорания на ранних стадиях в условиях интенсивного солнечного излучения, а также в случае отсутствия излучения при горении в видимой части спектра.
Координаты источника УФ-С излучения, найденные предложенным устройством, можно использовать в качестве указания для наведения в область его расположения дополнительного гиперспектрометра, расположенного рядом с предлагаемым устройством. Гиперспектрометр обеспечивает проведение гиперспектрального анализа местности, окружающей источник, и построение видеоизображения с градациями химического состава местности (гиперспектрометрия является фактически дистанционным химическим анализом). Это обеспечивает возможность выявления последствий воздействия УФ излучения на окружающую среду, и проводить селекцию такого воздействия от артефактов. Например, при обнаружении коронного разряда на изоляторе линии электропередач проведение гиперспектрального анализа позволит определить степень разрушения изолятора. В то же время, определение с помощью гиперспектрометра наличия влаги на поверхности изолятора или наличие на его поверхности загрязнений от птиц позволяет избавиться от артефактов, связанных с погодными условиями или факторами прямо не связанными с разрушением изоляторов.