Пристрій для вимірювання ультрафіолетового випромінювання

Винахід відноситься до аналітичного приладобудування, зокрема до спектрометрів та радіометрів ультрафіолетового випромінювання. Відомо про пристрій для оптичних спектральных вимірювань [1]. Пристрій містить в собі дифракційні грати, які закріплені на осі та оптично зв'язані з джерелом випромінювання, грати одним кінцем зв'язані з пружиною зворотнього ходу, протилежний кінець якої нерухомо закріплений на корпусі пристрою, другий кінець ґрат сполучений з п'єзоелектричним біморфним елементом, який жорстко закріплений на корпусі, електричні виводи пьезоелектричного біморфного елемента підімкнені до блоку керуючих напруг. Недоліком даного пристрою є громоздкість конструкції через розміщення в лінію грат та біморфного елемента. Окрім того, пристрій важко настроювати (юстировати) перед проведенням вимірювань інтенсивності випромінювань в робочій зоні виробничих приміщень через похибки оптичної схеми, які визиваються дією температури або забрудненням елементів. Забруднення елементів визивається тим, що в місці упора дифракційних грат та п'єзоелектричного біморфного елемента буде відбуватися стирання останнього і пил буде осідати на вузлах пристрою. Найбільш близьким по технічній суті та досягаемого результату до запропонованого винаходу є спектрометр [2], який містить в собі джерело випромінювання, коліматор, диспергуючий елемент, виконаний у вигляді дифракційних грат, пристрій повороту диспергуючого елемента, фокусуючу систему, фотоелектричний приймач випромінювання, причому джерело випромінювання через коліматор оптично зв'язано з диспергуючим елементом, який, в свою чергу, через фокусуючу систему оптично зв'язаний з фотоелектричним приймачем випромінювання, а сканування спектра випромінювання на фотоелектричному приймачі випромінювання провадиться поворотом диспергуючого елемента, механічно зв'язаного з пристроєм повороту. Недоліком даного пристрою є низька швидкодія сканірування спектру випромінювання та громоздкість механізму поворота диспергуючого елемента. В будь-якому спектрометрі або монохроматорі для виділення монохроматичних складових з потоку випромінювання падаючого на диспергуючий елемент застосовується пристрій повороту або обертання диспергуючого елемента. У вигляді пристрою поворота може бути застосовано редуктор з електромотором [2, с.104]. Пристрій повороту може бути виконано у вигляді синусного механізму [3, с.43] або - на основі ексцентрика, зв'язаного через тяги з диспергуючим елементом [4, с.194]. Всі відомі механізми повороту диспергуючого елементу мають великі габарити і масу. Тому відомий спектрометр важко застосовувати для контролю інтенсивності ультрафіолетового випромінювання від промислових джерел випромінювання. В основу винаходу поставлено задачу - в пристрої для вимірювання шляхом введення п'єзоелектричного елементу та жорстокого закріплення на ньому диспергуючого елемента, сумістити можливість повороту останнього з можливістю вимірювання ультрафіолетового випромінювання, в результаті чого підвищується швидкодія сканірування спектра, та зменшуються габарити пристрою. Поставлена задача вирішується тим, що в пристрої для вимірювання ультрафіолетового випромінювання, який містить в собі коліматор, диспергуючий елемент, який виконано у вигляді дифракційних грат, фотоелектричний приймач випромінювання, при цьому вхід коліматора - вхід пристрою, вихід коліматора оптично зв'язаний з диспергуючим елементом, який в свою чергу, оптично зв'язаний з входом фотоелектричного приймача випромінювання, згідно з винаходом в нього введені п'єзоелектричний біморфний елемент, опора, пристрій підсилення, обробки та реєстрації інформації, блок керуючих напруг, а як диспергуючий елемент застосовано дифракційні грати, розміщені на вільному кінці п'єзоелектричного біморфного елемента та жорстоко скріплені з останнім, протилежний кінець п'єзоелектричного біморфного елемента жорстко сполучений з опорою, а електричні виводи п'єзоелектричного біморфного елемента підключені до виходу блока керуючих напруг, вхід якого з'єднано з виходом пристрою підсилення обробки та реєстрації інформації, до входу якого підключено вихід фотоелектричного приймача випромінювання. Технічний результат, який може бути досягнуто при здійсненні винаходу, складається у зменшенні габаритів та маси пристрою і в підвищенні швидкодії в сканіруванні спектра випромінювання та точності настроювання. Винахід засновано на слідуючих теоретичних передумовах. Відомо [3, 4], що за допомогою дифракційних грат можна з поліхроматичного випромінювання виділяти монохроматичні складові. Крім того, угнуті дифракційні грати являють собою одночасно диспергуючий та фокусуючий елемент. Тому прилади та установки з угнутими дифракційними гратами не вимагають введення спеціальних фокусуючих систем. Дія угнутих грат визначається оптичною різницею ходу, яка створюється сусідніми елементами грат в місці зображення щілини. Якщо вхідну щілину спектрального приладу та грат з радіусом кривизни R встановити на колі, діаметр якого рівний R/2, то такі грати будуть фокусувати спектр на цьому колі, яке називається колом Роуланда. Умова головних максимумів для угнутих грат, проте як і для плоских, визначається у виразі де d - відстань між штрихами г рат; y - кут падіння випромінювання; j - кут дифракції; m - порядок спектру; l -довжина хвилі. Для оптичного приладу найбільш вигідною є така оптична схема, коди вхідна та вихідна щілина є нерухомими, а перехід до різних довжин хвиль здійснюється шляхом поворота грат навколо осі паралельних штрихам, грат. Якщо кути падіння та дифракції рівні, наприклад, 35°, тоді при зміні кута падіння на деяку величину d, умова максимумів грат буде або Розрахунки показують, що для грат з d = 0,8 × 10-6м, зміна кута d від 4,5° до 9° забезпечує сканірування спектру першого порядку від l = 200нм до l = 400нм. Для забезпечення високої дозволяючої здатності грат для задачі вимірювання параметрів ультрафіолетового випромінювання нема необхідності, так як окремі спектральні лінії не виділяються, тому немає необхідності і в вузькій вихідній щілині. Кут повороту грат в оптичних приладах (спектрометрах, спектрографах, монохроматорах) звичайно здійснюється за допомогою спеціальних механізмів. У винаході запропоновано угнуті грати жорстоко з'єднати з одним кінцем п'єзоелектричного біморфного елемента, протилежний кінець якого нерухомо закріплений в опорі. При подачі керуючої двух полярної напруги на п'єзоелектричний біморфний елемент, він згинається і дифракційні грати будуть відхилятися на кут. Розміщуючи певним чином в просторі вхідну та вихідну щілини та дифракційні грати, реалізуючи таким чином одну з відомих оптичних схем Роуланда, Абнея, Ігля, Сея-Наміока, можна легко забезпечити реєстрацію спектра ультрафіолетового випромінювання та визначити його параметри. Кривизна п'єзоелектричного біморфного елемента визначається співвідношенням [1, с.198] де d31 - п'єзомодуль; l - довжина елемента; U - керуюча напруга; x - товщина елемента. Якщо угнуті грати помістити на п'єзокераміці з великим п'єзомодулем (ЦТС-19, ЦТС-23) та довжиною 50мм і жорстко її закріпити за допомогою клею БФ-2, то при подачі керуючої напруги ~300В, можна забезпечити сканірування дифракційомого випромінювання на робочу площадку фотоелектричного приймача випромінювання. Таким чином, в запропонованому пристрою диспергуючий елемент (угнуті дифракційні грати) та механізм поворота диспергуючого елемента (п'єзоелектричний біморфний елемент) суміщені в єдиний керований вузол невеликих габаритів, в цьому і складається головна відзнака запропонованого пристрою від відомих. На кресленні (фіг.) показано блок-схему запропонованого пристрою, де 1 - коліматор, 2 диспергуючий елемент (угнуті дифракційні грати), 3 - п'єзоелектричний біморфний елемент, 4 опора, 5 фотоелектричний приймач випромінювання, 6 - пристрій підсилення, обробки та реєстрації інформації, 7 - блок керуючих напруг. Таким чином пристрій містить в собі коліматор 1, який оптично зв'язаний з диспергуючим елементом 2 (угнуті дифракційні грати), який поміщено на кінець п'єзоелектричного біморфного елемента 3 і жорстко скріпленим з ним. Протилежний кінець п'єзоелектричного біморфного елемента 3 жорстко з'єднаний з опорою 4. Диспергуючий елемент 2 оптично зв'язаний з фотоелектричним приймачем випромінювання 5, вихід якого з'єднаний з входом пристрою підсилювання, обробки та реєстрації інформації 6, вихід якого з'єднаний з входом блока керуючих напруг 7, до виходу якого підключені виводи п'єзоелектричного біморфного елемента 3. Пристрій працює слідуючим чином. Реєстрируєме ультрафіолетове випромінювання подають на вхід коліматора 1, де воно фокусується і потім падає на диспергуючий елемент 2, який закріплено на п'єзоелектричному біморфному елементі 3, закріпленому в опорі 4. Монохроматична складова промінювання, яка виходить з диспергуючого елемента 2 під визначеним кутом дифракції, попадає на фотоелектричний приймач випромінювання 5, який виробляє струм, пропорційний інтенсивності випромінювання. Цей струм підсилюється, реєструється та обробляється в пристрої. Одночасно пристрій підсилення, обробки та реєстрації інформації 6 виробляє керуючу дію на блок керуючих напруг, який в свою чергу, виробляє постійну двухполярну напругу заданої величини, яка лінійно змінюється в часі, та подається на виводи п'єзоелектричного біморфного елементу 3. В результаті чого, вільний кінець біморфного елемента 3, з диспергуючим елементом 2, відхиляється на заданий кут і тим самим, провадять сканірування спектра ультрафіолетового випромінювання на фотоелектричному приймачі випромінювання 5. Спектр випромінювання у вигляді електричного сигналу реєструється пристроєм підсилення, реєстрації та обробки інформації 6. Перед проведенням вимірів пристрій настроюють (юстирують) і градирують за допомогою зразкових джерел ультрафіолетового випромінювання. Винахід може бути реалізовано за допомогою виробів, які випускаються серійно. У вигляді фотоелектричного приймача можна застосовувати фотоелементи та фотодіоди, які працюють в області ультрафіолетового спектра випромінювання, наприклад, ФЕ027, ФД-24К, пристрій підсилення, реєстрації та обробки інформації може бути на базі мікропроцесорного набору серії К1816, операційного підсилювача К140УД17, блока керуючих напруг - на базі мікросхем серії К155. Подрібний опис схемотехнічних рішень по способам живлення п'єзоелектричних біморфних елементів приведено в [1, с.106 - 121] можна створити на основі п'єзокераміки типа ЦТС-1 (з розмірами 50 ´ 12 ´ 1мм). Диспергуючи елементи - дифракційні грати з числом 600 штрихів на міліметр та радіусом кривизни 0,5м випускаються вітчизняною промисловістю.