Способ установки заданной облученности от МЧТ
METHOD OF INSTALLATION OF SPECIFIED BBM IRRADIATION

Модель черного тела (МЧТ) - устройство, используемое в качестве источника излучения в целом ряде применений. Его спектральный диапазон излучения, спектральная мощность излучения и спектральная плотность фотонов весьма точно описываются математически. Эти устройства выпускаются различными производителями (MIKRON, IMP АС, ИОФ СО РАН и др.). Главными их характеристиками являются температура излучения, степень черноты в заданном спектральном диапазоне, форма и размеры излучающей площадки. Все МЧТ имеют две формы излучающих площадок - круглая и прямоугольная (квадратная). Размеры излучающих площадок МЧТ лежат в диапазонах: 1-80 мм - для круглых площадок и 100-300 мм - для квадратных площадок. Спектральный диапазон излучения всех МЧТ от 1,5-1,6 мкм до 15-25 мкм. Температурный диапазон излучения от - 40°C до 3000°C. Коэффициент черноты различных типов МЧТ находится в диапазоне 0,96-0,994 для указанного спектрального диапазона излучения. Все МЧТ паспортизованы и метрологически аттестованы по температуре, коэффициенту черноты и размеру излучающей площадки.
Основными устройствами, в которых применяется МЧТ, являются стенды измерения фотоэлектрических характеристик одиночных инфракрасных (ИК) фотоприемников и матричных ИК фотоприемных устройств (ИК МФПУ), стенды калибровки фотопреобразователей и др.
С помощью МЧТ устанавливают сигнальную и/или фоновую нагрузку на фотоприемник при измерении его амперваттной, вольтовой или температурной чувствительности, ограниченной шумом облученности, мощности, разности температур, а также удельной обнаружительной способности и динамического диапазона. Эта нагрузка (облученность) имеет два вида - фотонная или энергетическая облученности.
В настоящее время в связи с некоторыми практическими задачами возникает необходимость измерения вышеуказанных характеристик ИК полупроводниковых фотопреобразователей (ФЭПП) или ИК фотоприемных устройств (ФПУ) при заданной фотонной или энергетической облученности в заданном спектральном диапазоне. Отсюда возникла необходимость разработки способа установки заданной облученности от МЧТ в заданном спектральном диапазоне. В литературе отсутствует описание подобных способов.
МЧТ
р
2
-2
Известен способ измерения энергетической облученности от МЧТ [Приемники излучения. Полупроводниковые фотоэлектрические и фотоприемные устройства, методы измерения фотоэлектрических параметров и определения характеристик, ГОСТ 17772, 1988, С. 3, Приложение 4, С. 52, формула (75)], включающий установку в МЧТ одной из двух фиксированных температур Т излучающей площадки (500 К или 1273 К), измерение размеров и расчет эффективной площади излучающей площадки МЧТ F, см, измерение расстояния от излучающей площадки МЧТ до плоскости, в которой будет определяться облученность, L, см, и расчет энергетической облученности Ф, Вт⋅см, в данной плоскости по формуле
-12
-4
где σ - постоянная Стефена-Больцмана, σ=5,67⋅10 Вт⋅см⋅К;
МЧТ
ε - степень черноты излучения МЧТ;
0
ε - степень черноты излучения заслонки МЧТ;
0
T - температура излучения заслонки МЧТ, К.
Под эффективной площадью излучающей площадки МЧТ подразумевается площадь диафрагмы МЧТ, ограничивающей выходной световой поток.
Недостаток способа заключается в том, что выражение (1), указанное в ГОСТе, позволяет рассчитывать энергетическую облученность лишь в спектральном диапазоне [0; ∝] и не является точным в случае неравенства нулю второго члена выражения (1).
Недостатком указанного способа также является невозможность измерения энергетической облученности в заданном спектральном диапазоне и невозможность измерения фотонной облученности, необходимой для квантовых фотоприемников.
Недостатком способа является и использование лишь МЧТ с характерным размером излучающей площадки много меньшим расстояния до плоскости регистрации излучения. Это условие описывается следующей формулой (ГОСТ 17772,1988, С. 35, Приложение 3):
Целью настоящего изобретения является обеспечение возможности установки с максимально возможной точностью заданного значения энергетической или фотонной облученности в заданном спектральном диапазоне для любого фиксированного размера излучающей площадки МЧТ.
сф
МЧТ
МЧТ
р
р
МЧТ
сф
МЧТ
Поставленная цель достигается тем, что в способе установки заданной облученности от МЧТ, включающем установку температуры излучающей площадки, измерение размеров излучающей площадки МЧТ, юстировку плоскости излучающей площадки МЧТ и плоскости регистрации облученности перпендикулярно общей оси, соединяющей их центры, определяют спектр пропускания К(λ) оптического канала между МЧТ и плоскостью регистрации облученности, определяют зависимость расстояния L от температуры Т или температуры Т от расстояния L до плоскости регистрации для заданной величины фотонной Ф или энергетической Ф облученности, зависящей от температуры Т, от расстояния L, от размеров и площади излучающей площадки МЧТ, от спектра пропускания К(λ), и включают МЧТ в рабочий режим с установкой соответствующих друг другу значений температуры Т и расстояния до излучающей площадки L.
МЧТ
МЧТ
n
р
Поставленная цель достигается также тем, что зависимость расстояния L от температуры Т или температуры Т от расстояния L до плоскости регистрации определяется из выражения фотонной облученности Ф(l,T) или энергетической облученности Ф(l,T), которое имеет следующий вид:
или
1
2
где λ и λ - коротковолновая и длинноволновая границы заданного спектрального интервала;
- коэффициент излучения МЧТ, который для круглой излучающей площадки радиуса R определяется выражением
а
а для прямоугольной излучающей площадки с размерами  и b, определяется выражением
МЧТ
1
2
1
2
сф
-2
-1
N(Т, λ, λ) - фотонная облученность, фотонов⋅см⋅с, от бесконечно большой излучающей площадки МЧТ со степенью черноты ε (λ) в заданном спектральном диапазоне [λ, λ] с коэффициентом пропускания оптического канала К(λ), определяемая выражением
МЧТ
1
2
сф
-2
P(Т) - энергетическая облученность, Ватт⋅см, от бесконечно большой излучающей площадки МЧТ со степенью черноты ε (λ), в заданном спектральном диапазоне [λ, λ] с коэффициентом пропускания К(λ), определяемая выражением
-34
2
h - постоянная Планка, 6,626⋅10 Вт⋅с;
B
B
-23
-1
k - постоянная Больцмана, k=1,38⋅10 Вт⋅с⋅К;
10
-1
c - скорость света в вакууме, 2,998⋅10 см⋅с.
сф
Поставленная цель достигается также тем, что интегральный коэффициент пропускания К(λ) оптического канала между МЧТ и плоскостью регистрации облученности определяют произведением спектров пропускания оптических окон, а также полосовых и нейтральных светофильтров, установленных в нем.
МЧТ
МЧТ
МЧТ
сф
Поставленная цель достигается также тем, что для автоматизированного получения необходимых для установки заданной облученности парных величин температуры Т и расстояния L, в виде зависимости расстояния L от температуры Т или температуры Т от расстояния L, применяют компьютерный блок, работающий в соответствии с заданной компьютерной программой, в которую вводят заданную величину фотонной или энергетической облученности, спектр пропускания оптического канала К(λ), степень черноты излучения МЧТ ε(λ) и размеры излучающей площадки МЧТ.
Для подтверждения достижения цели рассмотрим МЧТ, например, с круглой излучающей площадкой радиуса R. Его излучение можно рассматривать, как излучение АЧТ со степенью черноты ε(λ) и с Ламбертовским распределением излучения [2]. Геометрия задачи показана на фиг. 1.
МЧТ
Излучающая площадка МЧТ S'(x',y') имеет Ламбертовское распределение излучения со своей поверхности и постоянную температуру Т. Плоскость S(x,y) параллельна плоскости излучающей площадки S'(x',y') и отстоит от нее на расстоянии L. Рассчитаем облученность в центральной точке плоскости регистрации облученности S(x,y).
Спроектируем бесконечно малый элемент dS' излучающей площадки МЧТ S'(x',y') на бесконечно малый элемент dS плоскости S(x,y). Проектирование проведем вдоль линии, соединяющей точку А(0,0) в которой необходимо получить заданную облученность, и произвольную точку В(x',y') излучающей площадки МЧТ S'(x',y').
МЧТ
Мощность излучения или количество квантов в единицу времени в спектральном интервале dλ, попадающее на элемент плоскости dS от элемента излучающей площадки МЧТ площадью dS' с температурой Т определяется следующим соотношением:
где АВ - длина прямой, соединяющей точку В(x',y') в плоскости S' и точку А(0,0) в плоскости S, см;
ϕ - угол между нормалью к плоскости S'(x',y') и прямой АВ;
2π
-2
-1
-2
-1
-1
M(λ,Т) - спектральная энергетическая светимость МЧТ, Вт⋅см⋅мкм или спектральная фотонная светимость МЧТ, фотон⋅см⋅с⋅мкм, являющаяся под-интегральной функцией в выражениях (7) и (8).
Суммируя излучатели dS', получим, что спектральная плотность интегральной облученности бесконечно малого элемента dS плоскости S(x,y)) представляет собой интеграл по площади излучающей площадки МЧТ от элементарных источников dS', расположенных в ее плоскости.
Для нахождения cosϕ рассмотрим прямоугольный треугольник ABC на фиг. 1.
или
2
Теперь найдем cosϕ.
Подставим (12) и (13) в (10) и получим спектральную плотность облученности плоскости регистрации в точку А от излучения МЧТ:
где x',y' - координаты в плоскости излучающей площадки МЧТ.
1
2
Выражение для интегральной облученности в точке А получится интегрированием выражения (14) в заданном спектральном диапазоне [λ, λ]:
или
излМЧТ
где К(L) - коэффициент излучения МЧТ, определяемый выражениями (5) или (6).
Интеграл в выражении (16) описывается или выражением (7), или выражением (8).
2π
Функции, стоящие под знаком интеграла в выражениях (7) и (8), выражают спектральную плотность излучения АЧТ, описанную в законе Планка [3], обозначенную в выражении (6) как М.
излМЧТ
Таким образом, величина облученности от МЧТ описывается выражениями (3) и (4), в которых значения К(L) в прямоугольных и полярных координатах имеют вид, показанный в выражениях (5) и (6).
Применение соответствующего выражения определяется аналитическим видом описания формы излучающей площадки МЧТ. Коэффициент излучения является безразмерной величиной.
сф
В случае нахождения в оптическом канале оптических элементов (оптические окна, полосовые светофильтры и нейтральные светофильтры) учитывается интегральный спектр пропускания К(λ), равный произведению их спектров пропускания.
АЧТ
АЧТ
-4
-2
16
-2
-1
Изобретение поясняется следующими фигурами: фиг. 1 - геометрия задачи расчета облученности от МЧТ; фиг. 2 - график зависимости L(Т), при которых реализуется получение заданной энергетической облученности в плоскости МФЧЭ, равной 4⋅10 Вт⋅см (спектральный диапазон 8-10,6 мкм); фиг. 3 - график зависимости L(Т), при которых реализуется получение заданной фотонной облученности в плоскости МФЧЭ, равной 7⋅10 фот⋅см⋅с (спектральный диапазон 8-10,6 мкм).
-4
-2
Пример реализации: Необходимо установить облученность матрицы фоточувствительных элементов (МФЧЭ) от МЧТ, равную 4⋅10 Вт⋅см. Имеем ФПУ, включающее МФЧЭ, расположенную в вакуумированном корпусе с оптическим окном, окруженную холодным экраном с диафрагмой, на которой расположен холодный светофильтр.
сф
1
2
Форма диафрагмы обеспечивает обзор любым ФЧЭ всей излучающей площадки МЧТ. Суммарное пропускание оптического канала от МЧТ до МФЧЭ (произведение коэффициентов пропускания входного окна и светофильтра ФПУ) К=0,88 в спектральном диапазоне от λ=8,0 мкм до λ=10,6 мкм.
МЧТ является серийным, имеет диапазон установки температуры от - 20°C до 150°C, радиус излучающей площадки R=25,5 мм, степень черноты МЧТ ε=0,99.
Установка заданной облученности выполняется следующим образом:
1. Устанавливаем МЧТ, например, на оптическую скамью.
2. Юстируем МЧТ так, чтобы ось, перпендикулярная его излучающей площадке и проходящая через ее центр, проходила через центр МФЧЭ.
МЧТ
сф
-4
-2
3. Включаем ПЭВМ, запускаем рабочую программу, вводим заданную величину облученности Т=4⋅10 Вт⋅см, спектральную полосу пропускания светофильтра 8-10,6 мкм, суммарную величину пропускания оптического канала К=0,88, диапазон рабочих температур МЧТ (370-420)К, радиус излучающей площадки МЧТ R=25,5 мм, степень черноты МЧТ ε=0,99.
4. Получаем с помощью рабочей программы ПЭВМ зависимость расстояния между плоскостью излучающей площадки МЧТ и плоскостью регистрации облученности (МФЧЭ) от температуры МЧТ при заданной величине облученности. Получаем график указанной зависимости для значений параметров, указанных ранее (см. фиг. 1).
5. Выбираем (вводим в ПЭВМ) величину расстояния между плоскостью излучающей площадки МЧТ и плоскостью МФЧЭ L=20 см.
МЧТ
МЧТ
-4
-2
6. Определяем (автоматическое определение) температуру МЧТ Т=396,5 К, которая обеспечивает получение энергетической облученности Р=4⋅10 Вт⋅см в плоскости МФЧЭ (регистрации), отстоящей от МЧТ на расстоянии 20 см.
7. Устанавливаем определенное с помощью ПЭВМ расстояние от МЧТ до плоскости МФЧЭ L=20 см на оптической скамье.
МЧТ
8. Устанавливаем определенную с помощью ПЭВМ температуру Т=396,5 К и получаем точную заданную величину облученности в плоскости МФЧЭ. Цель достигнута.
Аналогичную процедуру можно выполнить и для установления заданной величины фотонной облученности. В этом случае ПЭВМ рассчитывает аналогичную задачу для фотонной облученности, описанной выражениями (3), (5), (6) и (7). В результате получим график,
Настоящее техническое решение позволит обеспечить заданную величину фотонной и энергетической облученности в плоскости регистрации (плоскость МФЧЭ) в любом заданном спектральном диапазоне, для любых типов МЧТ.