Спосіб вимірювання факторів ефективності поглинання тонкодротяних болометрів

Спосіб вимірювання факторів ефективності поглинання тонкодротяних болометрів, що включає вимірювання електричного опору двох ідентичних болометричних решіток, елементи яких розміщені перпендикулярно один до одного у близьких перетинах оптичного пучка, з періодом розміщення j, який забезпечує просторове інтегрування густини інтенсивності випромінювання з відносною похибкою менше 1 %, за допомогою джерела оптичного імпульсного випромінювання та джерела постійної напруги для забезпечення електричного зміщення опорів болометрів решіток, який відрізняється тим, що спочатку виставляють лінійну поляризацію джерела оптичного імпульсного випромінювання паралельно до болометричних елементів однієї з решіток, які перед тим розміщують під кутами ±45° ТОНКОДРОТЯНИХ U (54) СПОСІБ БОЛОМЕТРІВ видається під відповідальність власника патенту (13) ДЕРЖАВНИЙ ДЕПАРТАМЕНТ ІНТЕЛЕКТУАЛЬНОЇ ВЛАСНОСТІ ОПИС 28304 МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ 3 безперервному лазерному випромінюванні. Спосіб потребує вимірювання декількох фізичних величин, а також дотримання досить високої стабільності інтенсивності лазеру і усієї вимірювальної системи болометру. Найбільш близьким до корисної моделі аналогом за сукупністю ознак є спосіб вимірювання ФЕП тонкодротяного болометру /1/, що передбачає вимірювання електричного опору двох ідентичних болометричних решіток, елементи яких розміщені перпендикулярно один до одного у близьких перетинах оптичного пучка, з періодом розміщення x, який забезпечує просторове інтегрування густини інтенсивності випромінювання з відносною похибкою менше 1%, у вимірювальній схемі також використовують джерело оптичного імпульсного випромінювання, джерело постійної напруги для забезпечення електричної о зміщення опорів болометрів решіток, абсолютний вимірювач інтенсивності оптичного випромінювання, аналого-цифровий перетворювач і електронно-обчислювальну машину. Недоліком цього способу є суттєва систематична похибка за рахунок наявності впливу різного теплообміну горизонтальної та вертикальної решіток. Технічною задачею корисної моделі є спрощення способу вимірювання ФЕЙ тонкодротяного болометру і збільшення точності результатів. Поставлена задача вирішується шляхом використання двох болометрич-них решіток з ідентичних тонкодротяних болометричних елементів з постійним періодом їх розміщення і поєднаних послідовно, як показано на схемі (фіг. 1). Решітки 1 і 2 розміщуються у близьких перетинах оптичного пучка і їх болометричні елементи нахилені під кутом 45° до горизонтальної площини, для того щоб забезпечити однакові коефіцієнти теплообміну болометрів з навколишнім середовищем. Період решіток обирається таким чином, щоб просторове інтегрування густини інтенсивності випромінювання у перетині пучка забезпечувало не менш ніж 99% загальної інтенсивності випромінювання. Болометри решіток заживлюються через навантажувальні опори R від джерела постійної напруги е. Опори R набагато перевищують початкові опори решіток R10 та R20. Постійний струм від джерела е дає падіння напруги на решітках U10 і U30. На решітки діє лінійно поляризоване лазерне випромінювання, вектор поляризації якого направлений паралельно болометричним елементам однієї з решіток, наприклад, другої. Після припинення дії оптичного випромінювання реєструють сигнали решіток U1 і U2 В період дії імпульсного випромінювання теплова постійна часу болометрів т повинна бути набагато більше тривалості оптичного імпульсу tu тоді максимум приросту напруги на болометрі буде прямо пропорційний поглиненої їм оптичної енергії. Напруга з болометричних решіток реєструється швидкодіючим, багатоканальним і високочутливим аналого-цифровим 28304 4 перетворювачем (далі - АЦП) 4, наприклад, типу JIA-2USB-14, і запам'ятовуються у електроннообчислювальній машині (далі - ЕОМ) 5. Фіг. 2 ілюструє напругу, що реєструється на решітці після припинення дії оптичного імпульсу. Вхідні опори АЦП повинні набагато перевищувати опори болометричних решіток. У цих умовах сигнали решіток будуть U - Ui0 DRi ei = i , i = 1,2 = Ui0 Ri0 , (1) де Ri0 - початкові опори решіток, які попередньо вимірюються; DRi - їх абсолютні прирости відповідно. Відношення діаметру болометрів d до їх періоду розміщення x менше 0,01 і випромінювання лазеру практично повністю проходить через решітки і вимірюється абсолютним вимірювачем інтенсивності випромінювання, наприклад, калориметром. За умови лінійного режиму роботи болометрів, коли відносні прирости їх опорів прямо пропорційні поглиненої ними оптичної інтенсивності випромінювання, по сигналам решіток, виміряної інтенсивності випромінювання і параметрам решіток визначають ФЕП болометру для Е- і Нполяризацій випромінювання. Решітки у вигляді прямокутників складаються з п елементів і кожен довжиною l . Середній відносний приріст опору решітки буде DRi = aTi , i = 1,2 Ri0 (2) де a - температурний коефіцієнт опору матеріалу болометру; Т - середній зріст температури болометрів і-тої решітки. Для імпульсного режиму роботи болометрів середній максимальний приріст температури їх нагріву буде Ti = Eпог q1E d q Ed = = 1 mc mc mcln c (3) де Eпог - середня за довжиною болометру поглинена їм оптична енергія; m і с - погонна маса і питома теплоємність матеріалу болометру; E - середня погонна падаюча на болометр оптична енергія; Е - енергія оптичного пучка; q1 = qE,H - ФЕП болометра для Е- або Нполяризованого випромінювання. Використовуючи вирази (2) та (3), отримуємо співвідношення для ФЕП болометра для відповідних поляризацій випромінювання E,H qE,H = pdrc lnc æ DR ö ÷ ç 4aE ç R0 ÷ ø è æ 1 tu ç1 + ç 2 t è ö ÷ ÷ ø , (4) де r - питома щільність матеріалу болометру; E æ DR ö DR1 ÷ ç çR ÷ = R 10 та è 0ø H æ DR ö DR2 ÷ ç çR ÷ = R 20 ; è 0ø 5 tu - тривалість оптичного імпульсу, яка визначається за фронтом зростання сигналу болометру до моменту досягнення його максимуму; t - теплова постійна часу болометру, яка визначається за кривою його остигання. æ 1 tu ö ÷ ç1 + ç 2 t ÷ виключає систематичну ø Множник è похибку зменшення сигналу болометру, яка викликається відношенням величин tu і t. Діаметр болометра d може бути досить точно визначений за відомою довжиною, питомим опором матеріалу болометру і виміряному початковому опору. Таким чином, вимірюючи за один імпульс лазера повну енергію Е та відносні прирости опорів решіток DR1 DR 2 R10 та R20 , визначаємо ФЕП болометру qE і qH. Технічний результат, якого можна досягти при використанні запропонованої корисної моделі, виражений у тім, що забезпечується значне спрощення способу вимірювання ФЕП тонкодротяного болометру, а також підвищення точності отримуваних результатів. Запропонований спосіб вимірювання ФЕП болометру був перевірений експериментальне. Використовувався двохрешітний болометр з платиновими провідниками діаметром біля 10 мкм. Кожна решітка мала по 16 боломе-тричних елементів, довжина кожного була l = 80мм та період решіток складав x = 4мм. Вхідна апертура решіток складала 65мм. Кожен болометричний елемент решіток мав початковий опір біля 100Ом. Через кожен болометричний елемент, з опором 3кОм кожен, пропускався постійний струм 0,5мА. Напруга на кожному болометричному елементі реєструвалася багатоканальним, швидкодіючим і високочутливим аналого-цифровим перетворювачем JIA-2USB-14 з запам'ятовуванням результатів вимірювань в електронно-цифровій машині. Вхідні опори кожного каналу АЦП перевищували 1МОм. Використовувався імпульсний неодимовий лазер ГОС1001, який генерує у режимі вільної генерації імпульс тривалістю 0,80мс на довжині хвилі 1,06мкм. Лінійна вертикально спрямована поляризація випромінювання була при відбиванні оптичного пучка від скляної плоско-паралельної пластин-ки, яка розміщена у вертикальній площині під кутом Брюстера. Болометрич-ні елементи першої решітки розміщувались вертикально, а другій горизонтально. Початкові опори болометричних елементів решіток Ri0 і Rj0 попередньо вимірювались з відносним середнім квадратичним відхиленням (СКВ) 10 -3. Сигнали болометричних елементів у відповідності з виразом (1) давали їх відносні прирости опорів. Знаючи початкові опори болометричних елементів Ri0 і Rj0, знаходились абсолютні їх прирости DRi, та DRj і сигнали решіток 28304 6 16 16 e1 = å DRi i =1 16 å Ri0 i =1 e1 = = 0,1151 å DR j i =1 16 å R j0 i =1 = 0,1813 . (5) Виміряні значення відношення величин t u / t для першої решітки складало 0,08, а для другої решітки - 0,12. Виміряна калориметром енергія імпульсу лазерного випромінювання складала 18,7Дж. Діаметри болометричних елементів решіток визначались за їх довжиною, початковому опору і питомому опору платини. Їх значення складали та d2 =(9,715±0,03)мкм. Підставляючи у вираз (4) значення табличних величин для платини і виміряні значення, отримуємо значення ФЕП платинових болометрів для Е-поляризованого випромінювання q1' =0,186 та Н-поляризованого випромінювання q" =0,292. Джерела інформації: 1. Кузьмичев В.М., Соловьев В.А., Лапко А.В. Измерение энергетических параметров интенсивного лазерного излучения профильным тонкопроволочным болометром // Радиофизика и радиоастрономия. -1999. - Т.4, №3. - С.286-295 . 2. Кузьмичев В.М., Погорелов С.В. Преобразование платиновым тонко-проволочным болометром энергии импульса лазера // Український метрологічний журнал. - 2003. - №2. С.42-47. 3. Kuzmichov V.M., Pogorelov S.V., Safronov B.V., Balkashin V.P., Kohns P. Measuring of the factor of absorption efficiency ofthinwire bolometer Proceedings ofCAOL'2005, Vol.2, P.313-315 та 7 28304 8