УСТРОЙСТВО ДЛЯ РЕГИСТРАЦИИ ЛАЗЕРНО-ИНДУЦИРОВАННОГО ФАКЕЛА

Полезная модель относится к области измерительной техники, и может применяться для бесконтактного измерения температуры и других параметров лазерно-индуцированного факела, а также для исследовательских целей и решения задач производственного контроля плазменного синтеза наноструктурированных материалов.
Известен датчик пирометра спектрального отношения [патент РФ №2192624]. Он предназначен для измерения температуры продуктов сгорания в факеле ракетного двигателя твердого топлива. В этом датчике светоделительное устройство выполнено в виде двух сферических зеркал, установленных отражающими покрытиями друг к другу. Между зеркалами установлено наклонное вращающееся плоское зеркало. Световой поток через отверстие в первом зеркале попадает на наклонное плоское зеркало и, отражаясь от сферических зеркал, попадает в фотоприемник. При одном положении наклонного зеркала поток излучения фокусируется через один светофильтр, а при противоположном положении - через другой светофильтр. Недостатком этого датчика является сложность его изготовления и большие габариты.
Известен цветовой пирометр [патент РФ №2095765]. В этом пирометре смещена оптическая ось пирометра, проходящая через объектив и полевую диафрагму к оптической оси объектива. С одной стороны объектива имеется отражающая поверхность, а с другой - приемная площадка, воспринимающая отраженное излучения. Таким образом, осуществляется деление потока излучения на два луча, образующих два канала измерения. Недостатком пирометра является сложность его изготовления, большие габариты и ограничение по применению.
За прототип выбрано устройство для бесконтактного измерения температуры [Патент на ПМ РФ №61416]. Устройство содержит блок радиационного пирометра, оптическую схему, спектральный фильтр, электрически связанные между собой фоточувствительный элемент, блок вычислений, интерфейс индикации, блок калибровки, узел запуска блока калибровки, выход фоточувствительного элемента электрически соединен с сигнальным входом блока калибровки, к управляющему входу которого подключен выход упомянутого узла запуска, выход блока калибровки электрически связан с установочным входом блока вычислений, выход которого электрически связан с входом упомянутого интерфейса. Недостатком устройства является невозможность регистрации слабых оптических сигналов, и только измерение только одного параметра - температуры.
Задача - создание универсального устройства позволяющего измерять целый ряд параметров лазерно-индуцированного факела - температуры, размеров и формы плазменного факела.
Предложено устройство для регистрации лазерно-индуцированного факела, включающее узел спектральной селекции, представляющий собой набор из двух интерференционных светофильтров установленных на вращающемся диске, оптический узел, дополнительно снабженный светоделительной пластиной, установлено на выходе узла, два фотоприемника излучения, один из которых выполнен на базе ПЗС матрицы, вход узла оптической системы связан с выходом узла спектральной селекции, а ее выход через светоделительную пластину - с входами двух фотоприемников излучения, выход фотоприемника на базе ПЗС матрицы связан с интерфейсом передачи данных, а выход второго фотоприемника последовательно через взаимосвязанные узлы усиления сигнала и обработки информации соединен с входом интерфейса, а узел юстировки механически связан с двумя фотоприемниками излучения, с узлами усиления сигнала и оптической системы.
Данная задача решается тем, что в устройстве за счет двух фотоприемников излучения реализовано два канала регистрации: один для измерения температуры, другой, на базе ПЗС матрицы, для регистрации формы факела и его размеров. Оптический сигнал от объекта наблюдения делится светоделительной пластиной на два луча и поступает одновременно на два фотоприемника излучения, что позволяет проводить измерение температуры плазменного факела и регистрировать его морфологию одновременно.
Устройство содержит узел спектральной селекции 1, узел оптической системы 2, фотоприемник излучения 3, фотоприемник излучения на базе ПЗС матрицы 4, узел усиления сигнала 5, узел обработки информации 6, интерфейс передачи данных на компьютер 7 и узел пространственной юстировки 8 (фиг.1).
Устройство работает следующим образом.
1
2
λ1
λ2
1
2
1
1
2
2
1
1
2
2
1
1
1
2
2
2
Излучение от исследуемого объекта проходит через узел спектральной селекции 1, который представляет собой набор из двух полосовых интерференционных светофильтров установленных на вращающемся диске, таким образом, что при вращении диска излучение от объекта проходит попеременно через два светофильтра пропускающих свет с длинами волн λ и λ, собирается объективом узла оптической системы 2 и поступает на светоделительную пластину узла оптической системы 2, которая делит излучение на два пучка. После разделения на два пучка, излучение одновременно поступает на фотоприемник излучения 3 и фотоприемник излучения на базе ПЗС матрицы 4. Фотоприемник излучения 3 поочередно регистрирует интенсивности света I и I, прошедшие через светофильтры пропускающих свет с длинами волн λ и λ и преобразует оптические сигналы в аналоговые электрические U(λ) и U(λ), которые после усиления в узле усиления сигнала 5 поступают в узел обработки информации 6. Узел обработки информации 6 производит измерения сигналов U(λ) и U(λ), после чего данные об измерениях сигнала в цифровом виде N=f(U(λ)) и N=f(U(λ)) поступают на интерфейс передачи данных на компьютер 7. Фотоприемник излучения на базе ПЗС матрицы преобразует оптический сигнал, который соответствует пространственному распределению факела, в электрический цифровой и передает его на интерфейс передачи данных на компьютер 7. Наведение устройства на объект исследования осуществляется с помощью узла пространственной юстировки 8.
1
2
По данным измерений интенсивностей света, испускаемого плазменным факелом вблизи двух длин волн λ и λ с фотоприемника излучения 3 на компьютере проводится расчет отношений этих интенсивностей G:
По найденному G проводится расчет цветовой температуры (Тс):
2
где C=0,014 К*м
Значение температуры плазменного факела определяется по следующей формуле:
1
2
1
2
где ε(λ,T) и ε(λ,T) коэффициенты черноты тела для длин волн λ и λ.
По данным с фотоприемника излучения 4 проводится расчет размеров плазменного факела путем подсчета «засвеченных» пикселей ПЗС матрицы в пересчете на коэффициент увеличения объектива. Все эти параметры, а также изображение самого факела отображаются на экране компьютера и записываются в файл.
Были проведены испытания устройства по измерению параметров плазменного факела, индуцированного Nd:YAG импульсным лазером. Длительность импульса излучения лазера составляла 1 мс. В качестве фотоприемника излучения 3 применялся PIN фотодиод со спектром пропускания 400-1100 нм и постоянной времени 1 не. Узел спектральной селекции 1 представляет собой набор из двух интерференционных светофильтров с полосой пропуская 50 нм на длинах волн 450 и 700 нм.
3
Одновременное измерение температуры плазменного факела, его размеров и формы показали, что максимальная температура плазмы составляет порядка 8×10 градусов, высота факела - 10 мм при диаметре 2 мм, а форма похожа на пламя свечи. Проведенные испытания показали возможность проведения таких измерений со скоростью до 1000 измерений в секунду.
Стабильность процесса синтеза нанопорошков в лазерно-индуцированной плазме в первую очередь определяется стабильностью характеристик плазменного факела. В виду технологических особенностей синтеза, изменение физических характеристик плазменного факела, таких как температура, размер, форма более чем на 10% приводит к большому разбросу параметров получаемых частиц нанопорошка.