УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ИНТЕНСИВНОСТИ УЛЬТРАФИОЛЕТОВОГО ИЗЛУЧЕНИЯ

Полезная модель относится к области измерительных приборов, регистрирующих излучение, в частности, ультрафиолетовое (УФ), и может применяться для регистрации интенсивности и дозы излучения Солнца и ламп в интервале длин волн 240÷290 нм.
Эта задача является актуальной, поскольку УФ излучение в этой области длин волн является канцерогенным, то есть это техническое решение вносит вклад в профилактику заболеваний, вызванных УФ светом.
2
4
В обычных источниках излучения (Солнце, лампы) интенсивность УФ излучения в интервале 290÷400 нм превосходит в 10÷10 раз излучение в интервале 240÷290 нм, которое практически не регистрируется известными устройствами.
Известны измерительные устройства для УФ области, например, измеритель UM-100 фирмы Konica Minolta Sensing /http://www.konicaminolta.com/. Устройство включает фотоприемник на основе кремния, аналого-цифровой преобразователь, дисплей и источник питания.
Недостаток такого прибора заключается в том, что он, используя фотоприемник на основе кремния, регистрирует только общее УФ излучение в интервале 240÷400 нм.
В /патент DE 4329666, G01J 1/42/ предлагается устройство для измерения интенсивности УФ излучения, содержащее процессор, преобразующий ток в напряжение, аналого-цифровой преобразователь и оптический, либо акустический, индикатор. В качестве фотоприемника используется фотоприемник на основе полупроводника с шириной запрещенной зоны более 2,25 эВ, т.е. карбида кремния.
4
Недостаток такого прибора заключается в низкой точности и достоверности измерений, так как такой фотоприемник имеет хвост фоточувствительности в области 290÷360 нм. Несмотря на то, что фоточувствительность в этой области составляет 1÷10% от фоточувствительности в максимуме спектра (при 250 нм), как уже было указано, источники излучения в этой области светят в 10÷10 раз сильнее, чем в требуемой области, что приводит к большим ошибкам измерений.
Известно техническое решение - устройство для измерения плотности потока и дозы УФ излучения /патент TW 487799/ G01J 1/42, G02F 1/32/. Оно содержит 4H-SiC фотоприемник, аналого-цифровой преобразователь с микрокомпьютером, дисплей и источник питания. Это устройство позволяет измерить УФ излучение в интервале 240÷290 нм, поскольку спектр фотоэлектропреобразования 4H-SiC фотоприемника лежит в этой области.
Недостаток этого устройства - низкая точность и достоверность результатов измерения, поскольку спектр фототока 4H-SiC имеет хвост фоточувствительности в области 290÷360 нм, то есть вне диапазона 240÷290 нм.
В качестве прототипа выбран измерительный прибор для регистрации интенсивности УФ излучения /патент WO 02079736 от 10.10.2002, G01J 1/42/. Прибор содержит фотоприемник, преобразователь ток-напряжение, аналого-цифровой преобразователь, источник питания и дисплей. Указано, что в качестве фотоприемника могут использоваться различные структуры, в том числе и сенсор на основе карбида кремния (SiC). Прибор содержит калибровочный усилитель, позволяющий калибровать различные фотоприемники в одном устройстве.
Недостаток этого устройства, как и у аналогов, низкая достоверность и точность измерений из-за наличия у любого фотоприемника хвоста фоточувствительности в области 290÷360 нм. Хотя фоточувствительность в этой области составляет несколько процентов от максимальной, но источники УФ излучения (Солнце, лампы) излучают в этой области в 100÷10000 сильнее, чем в требуемой области 240÷290 нм, т.е. прибор измеряет главным образом фоновое излучение.
Предлагаемая полезная модель решает задачу повышения достоверности и точности измерения интенсивности ультрафиолетового излучения в интервале длин волн 240÷290 нм.
Задача решается устройством для измерения интенсивности ультрафиолетового излучения, включающим первый фотоприемник на основе 4H-SiC с барьером Шоттки, второй фотоприемник на основе GaP с барьером Шоттки и ультрафиолетовым светофильтром, первый и второй преобразователи ток-напряжение, блок аналого-цифровой обработки сигналов, выполненный с возможностью определения разности фототоков от фотоприемников, дисплей и источник питания, причем первый и второй фотоприемник подключены, соответственно, к входам первого и второго преобразователей ток-напряжение, выходы которых подключены к входам блока аналого-цифровой обработки сигналов, выход которого соединен с дисплеем, а источник питания подключен к первому и второму преобразователям ток-напряжение и к блоку аналого-цифровой обработки сигналов.
В данном техническом решении введен новый признак - фотоприемник на основе GaP с барьером Шоттки, в котором окно для прохождения света выполнено в виде ультрафиолетового светофильтра. Спектр фотоэлектропреобразования этого приемника расположен в области 290÷400 нм, т.е. в той области, которую следует исключить из фотоэлектропреобразования, т.к. этот фототек вносит наибольшие искажения в измерения. Ультрафиолетовый светофильтр необходим для исключения фототока, вызываемого видимым светом в GaP фотоприемнике, поскольку ширина запрещенной зоны GaP составляет 2,26 эВ, что соответствует видимой области, а источники излучений в видимой области светят в 10÷100 раз сильнее, чем в ближней УФ области. Блок цифровой обработки сигналов производит вычитание фототоков 4H-SiC и GaP фотоприемников и передает на дисплей сигнал, соответствующий фототоку, вызванному излучением в области 240÷290 нм. При этом в случае, когда фототек GaP фотоприемника оказывается большим фототока 4H-SiC фотоприемника, результирующее значение обнуляется для получения достоверных результатов.
Принципиальная схема устройства показана на Фиг.1, где:
1 - первый фотоприемник на основе 4H-SiC с барьером Шоттки;
2 - второй фотоприемник на основе GaP с барьером Шоттки и ультрафиолетовым светофильтром;
3 - первый преобразователь ток-напряжение;
4 - второй преобразователь ток-напряжение;
5 - источник питания,
6 - блок аналого-цифровой обработки сигналов;
7 - дисплей;
Устройство работает следующим образом.
2
2
УФ свет падает одновременно на оба фотоприемника 1 и 2 (4H-SiC и GaP) и вызывает в каждом из них фототок, причем в случае 4H-SiC фотоприемника 1 фототок вызывается излучением преимущественно в диапазоне 240÷360 нм, а в случае GaP фотоприемника 2 - излучением преимущественно в диапазоне 290÷400 нм. Преобразователи 3 и 4 переводят фототоки в напряжение, блок цифровой обработки 6 вычитает их, в результате на устройство вывода 7 (дисплей) поступает сигнал, соответствующий отклику на излучение в интервале 240÷290 нм, несмотря на то, что его интенсивность практически всегда на 2÷3 порядка меньше, чем излучения в интервале 290÷400 нм. К преобразователям 3 и 4 и блоку цифровой обработки 6 присоединен источник питания 5. На дисплее 7 отображается интенсивность излучения в Вт/м. Одновременно можно также производить интегрирование интенсивности по времени воздействия излучения на фотоприемники и определять дозу в Дж/м.
На Фиг.2 показаны спектры фотоэлектропреобразования 4H-SiC фотоприемника и GaP фотоприемника, где:
8 - спектр фотоэлектропреобразования 4H-SiC фотоприемника с барьером Шоттки,
9 - спектр фотоэлектропреобразования GaP фотоприемника с барьером Шоттки, в котором окно для прохождения света выполнено в виде стеклянного светофильтра УФС-6.
Видно, что область фоточувствительности GaP фотоприемника перекрывает область «хвоста» фоточувствительности 4Н-SiC фотоприемника, которую следует исключить из измерений.
На Фиг.3 показан результирующий спектр 10 фотоэлектропреобразования при одновременном освещении двух фотоприемников, который измерен после вычитания фототоков от первого и второго фотоприемников. Видно, что он расположен только в области 240÷290 нм, т.е. «хвост» фоточувствительности полностью исключается из фотоэлектропреобразования, и прибор регистрирует только канцерогенное излучение в области 240÷290 нм.
Пример.
-3
2
2
12
2
3
В качестве датчиков использовались 4H-SiC фотоприемник JECO.1 фирмы Boston Electronics Corp и GaP фотоприемник G1961 фирмы Hamamatsu Photonics, в котором в качестве окна для прохождения света использовался светофильтр УФС-6. При одновременном освещении этих датчиков УФ излучением в них возникали фототоки, которые в преобразователях преобразовывались в напряжение. Преобразователи выполнены на основе операционных усилителей. Выходные сигналы из преобразователей поступали на блок цифровой обработки сигналов, представляющий собой аналого-цифровой преобразователь, микроконтроллер которого запрограммирован так, что производит вычитание фототоков. Значения интенсивности (в интервале 5.10÷5.10 Вт/м), а также дозы (максимальное значение 10 Дж/м) отображались на жидкокристаллическом дисплее с четырьмя разрядами. Габаритные размеры прибора составляли (3×6×11) см. В качестве источника питания использовалась батарея с напряжением 1,5 В и микросхема ADR-380.
При использовании устройства-прототипа (с одним фотоприемником) значения интенсивности УФ излучения при тех же условиях освещения получались примерно на порядок большими за счет искажений, вносимых излучением в области 290÷400 нм.
Таким образом показано, что точность и достоверность измерений предлагаемым устройством существенно выше.