HU183806B

HU183806B - Arragement for measuring the power of radiation of electromagnetic sources of radiation

Info

Publication number: HU183806B
Application number: HU82313A
Authority: HU
Inventors: Helmut Seifert; Hermann Voeckel; Dieter Sonnefeld; Wolfram Mendler
Original assignee: Carl Zeiss Jena Forschungszent
Priority date: 1981-02-03
Filing date: 1982-02-02
Publication date: 1984-06-28
Also published as: GB2095903A; YU310381A

Abstract

An arrangement operating on the calorimetric principle for measuring the radiation 9 of electro-magnetic radiation sources includes sensing elements each constituted by an absorber element 1, a plurality of thermo-electric elements 2,2' and a thermal reservoir 3. The thermo-electric elements are arranged in substantially annular external and internal arrays 4,5 and are in the form of laminas connected via thermal resistor bridges (6). The absorber element (1) is thermally connected to each individual lamina of the internal annular array. The external annular array is thermally connected to and electrically insulated from the thermal reservoir. <IMAGE>

Description

A találmány tárgya mérési elrendezés elektromágneses sugárforrások sugárzási energiájának mérésére, amely sugárforrások impulzus- vagy tartós üzemmódban működnek, és ahol a mérés elve kalorimetriás mérési elv. A találmány tárgyát képező mérési elrendezés alkalmas elektromágneses sugárzás összenergiájának mérésére, de alkalmas arra is, hogy a sugárforrás által kibocsátott energiát a sugárzási keresztmetszet mentén egy távolabbi helyen mérjük. A találmány tárgyát képező mérési elrendezés elsősorban lézersugárforrásoknál alkalmazható, de alkalmazható más különleges sugárforrások esetében is, mint például lumineszcens-diódáknál. A kalorimetriás mérési eljárás további előnye abban van, hogy különböző mérő- és minőségellenőrző folyamatoknál lehetővé teszi a gyors, egyszerű szériamérések megvalósítását, mind a tudományos kutatás, mind pedig a kutatásoknál alkalmazott műszerek esetében.BACKGROUND OF THE INVENTION The present invention relates to a measuring arrangement for measuring the radiated energy of electromagnetic radiation sources operating in pulsed or continuous mode, wherein the principle of measurement is a calorimetric measurement principle. The measuring arrangement according to the invention is suitable for measuring the total energy of electromagnetic radiation, but it is also suitable for measuring the energy emitted by the radiation source at a more distant location along the radiation cross-section. The measuring arrangement of the present invention is primarily applicable to laser sources, but may also be used for other specific sources, such as luminescent diodes. A further advantage of the calorimetric measurement method is that it allows rapid, simple serial measurements of various measuring and quality control processes, both in scientific research and in research instruments.

A technika különböző területein, például kutatás, fejlesztés területén, de esetenként a különböző tudományos célokra kialakított műszerek előállítása során is, gyakran van szükség arra, hogy az elektromágneses sugárforrást valamint a sugárforrásból kibocsátott sugárzást gyorsan, biztonságosan tudjuk meghatározni, továbbá azt a mérési eredményt valamilyen formában közölni is tudjuk. Különösen nagy jelentősége van ennek a mérési elvnek a szériaszerű gyártások ellenőrzésében.In various fields of technology, such as research and development, and sometimes in the manufacture of instruments designed for different scientific purposes, it is often necessary to be able to determine rapidly and safely the electromagnetic source and the radiation emitted from the source, we can tell. This measurement principle is particularly important in the control of serial production.

A sugárforrások tulajdonságainak mérésénél nemcsak a sugárzás minőségére és a sugárzás jellemző karakterisztikájára van szükség, hanem emellett gyakran szükség van arra is,hogy a sugárzás összenergiája milyen formában oszlik el annak a térnek a mentén, amely a térszögön belül helyezkedik el, vagy valamilyen térszög tartományban. Mindkét esetben arra van szükség, hogy a sugárzás energiatartalmát gyorsan és pontosan meg lehessen határozni. A kalorimetriás mérési elv alapján a sugárzás energiája hőenergiává van átalakítva, amely hőenergiát hőmérsékletváltozássá alakítunk át, amely hőmérsékletváltozást villamos úton mérünk és értékelünk ki.Measuring the properties of radiation sources requires not only the quality of radiation and the characteristic characteristics of radiation, but also the form in which the total energy of radiation is distributed along a space within a space angle or in a range of a space angle. In both cases, the energy content of the radiation needs to be determined quickly and accurately. According to the calorimetric measurement principle, the radiation energy is converted into heat energy, which is converted into a temperature change, which temperature is measured and evaluated electronically.

A sugárzási energiának a hullámhossztól függetlenül történő legteljesebb átalakítása a hőenergiává való átalakítás. Erre a célra tárcsa vagy kúpalakú sugárzáselnyelők, abszorberek alkalmazhatók, amely abszorberek feketített fémből, grafitból vannak kialakítva, illetőleg a térfogat abszorberek, amelyeket nagy sugárzási teljesítmények átalakítására alkalmazunk, üvegből vannak kiképezve. Az abszorberekben a sugárzás hatására létrejövő hőmérséklet növekedést termisztorok vagy hőelemek segítségével mérjük, és a mért értéket jelezzük ki.The most complete conversion of radiation energy, irrespective of wavelength, is conversion to heat energy. For this purpose, disc or cone absorbers, absorbers, which are made of blackened metal, graphite, or volume absorbers, which are used to convert high radiation power, are made of glass. The increase in radiation in the absorbers due to radiation is measured by means of thermistors or thermocouples and the measured value is displayed.

Igen fontos az, hogy a mérési pontosságot a sugárnyalábnak az abszorber felületére való becsapódási szöge, valamint a sugárzási keresztmetszet mentén történő energia eloszlás ne befolyásolja. Ebből a célból az abszorberek hőmérsékletkiegyenlítést szokás alkalmazni. A hőmérsékletkiegyenlítés időtartama alatt az abszorberben elvesző hoveszteség olyan csekély értéken kell hogy tartva legyen, amely a mérési pontosságot nem befolyásolhatja. Ebből a szempontból az abszorbereknek igen jó hőszigetelő anyagból kell lenniük, valamint az időállandója is megfelelően nagy kell legyen. Ez az időállandó a tárolási időállandó. A tárolási időállandó határozza meg azt, hogy két mérés között milyen minimális időtartamot kell betartani.It is very important that the measurement accuracy is not affected by the angle of impact of the beam on the surface of the absorber, nor by the energy distribution along the radiation cross-section. For this purpose, the absorbers are usually temperature compensated. During the temperature equalization period, the heat loss in the absorber should be kept at a low value that does not affect the measurement accuracy. In this regard, the absorbers must be of very good thermal insulation material and also have a sufficiently high time constant. This time constant is the storage time constant. The storage time constant determines the minimum time interval between two measurements.

A DD—WP 62 929 sz. szabadalmi leírásban egy olyan abszorber van ismertetve, amely nyéllel van ellátva, és így a hőmérsékletkiegyenlítés megvalósul, mivel az a szár egy hőtartállyal van összekötve. Ennél a kialakításnál a hőmér2 sékletgradiens az egész szár mentén, amely a hőtartályhoz csatlakozik, egyenletes lesz. Ez gyakorlatilag azt jelenti, hogy a hőmérsékletmérés mindaddig késleltetve van, amíg egy hőegyensúly be nem áll. Hátrányos ennél a megoldásnál, hogy a szár mentén nem áramlik át teljes hőenergiamennyiség, hanem a hőenergia egy része a környezetbe sugárzás formájában eltávozik. A sugárzás formájában a környezetbe távozó hőmennyiség olyan mérési hibát okoz, amely előre sem nem határozató meg, sem nem számolható ki.DD-WP 62 929 U.S. Patent No. 4,123,125 discloses an absorber which is provided with a handle and thus achieves temperature equalization since the stem is connected to a heat reservoir. In this configuration, the temperature gradient will be uniform over the entire stem connected to the heat reservoir. This practically means that the temperature measurement is delayed until a thermal equilibrium is reached. A disadvantage of this solution is that not all the heat energy flows along the stem, but a part of the heat energy is released into the environment as radiation. The amount of heat released into the environment in the form of radiation causes a measurement error that is neither predetermined nor predictable.

A DD—WP 132 544 sz. szabadalmi leírásban egy olyan mérési eljárás van ismertetve, ahol a sugárforrásból kibocsátott sugár becsapódási szögétől és a sugáreloszlás intenzitásától függetlenné tehető a mérés. Ennél a mérési elrendezésnél mérőérzékelőként hőelemek vagy termisztorok vannak az abszorber felületén elosztottan elhelyezve. Ennek a megoldásnak az előzőekhez képest még egy további hátránya, hogy techológiai szempontból nehezen valósítható meg. A környezeti sugárzás, valamint a környezeti hőmérséklet ingadozása korlátozzák a mérés pontosságát, valamint a pontos energiaméréshez szükséges megfelelő felbontó képességet. Ezeknek a zavaró hatásoknak a kiküszöbölése céljából szokásos alkalmazni különbségi elven működő mérési elrendezéseket, amelyeknél két azonos abszorbert kell alkalmazni. Ahhoz azonban, hogy a mérés megfelelően pontos legyen, az abszorberek minden szempontból teljesen egyenlőnek kell, hogy egymással legyenek, nevezetesen az érzékenységük, a ragálási idejük és a lecsengési időállandójuk feltétlenül azonos kell legyen.No. 132,544 of DD-WP. U.S. Pat. No. 4,123,125 discloses a measuring method whereby the measurement can be made independent of the angle of impact of the radiation emitted from the radiation source and the intensity of the radiation distribution. In this measuring arrangement, thermocouples or thermistors are distributed distributed over the absorber surface as a measuring sensor. A further disadvantage of this solution compared to the previous ones is that it is difficult to implement from a technological point of view. Ambient radiation and ambient temperature fluctuations limit the accuracy of the measurement and the appropriate resolution required for accurate energy measurement. In order to eliminate these interferences, it is customary to use differential measurement arrangements which require the use of two identical absorbers. However, in order for the measurement to be sufficiently accurate, the absorbers must be perfectly equal in all respects, namely, their sensitivity, adhesion time and decay time constant must be identical.

Két minden szempontból azonos abszorber előállítása rendkívül nagy technológiai fegyelmet, bonyolult mérési és hitelesítési eljárásokat kíván, emelett komoly költségekkel jár. Továbbá hátránya ennek a megoldásnak, hogy ezeket az abszorbereket nem lehet reprodukálhatóan előállítani, vagyis megfelelő számú, azonos tulajdonságú abszorber gyakorlatilag nem állítható elő. A sugárforrások sugárzási jellegének meghatározása a fent említett eljárástól, amely a kalorimetriás mérési eljáráson alapul, független. Erre a célra további ismert megoldások vannak kialakítva. A sugárzás divergenciájának a megállapítására egy lehetséges mód az, hogy a sugárzási keresztmetszet mentén egy mozgatható blendét helyezünk el, és ezzel osztjuk fel különböző területekre a sugárzás keresztmetszetét. Ilyen elrendezést ismertet például az US—PS 3 830 571 sz. vagy a DD—WP 147 153 sz. szabadalmi leírás. Ez a mérési elv, nevezetesen a sugárzási mező energiatartományának részekre való felosztása igen nagy időráfordítást igénylő komplikált mechanikai berendezéseket igénylő eljárás, és a blendének a mozgatása az egyes sugárimpulzusokhoz nem illeszhető megfelelően. A mérési hiba csökkentése céljából, amely mérési hiba a sugárforrás flktuációjából fakad, egy igen időrabló középérték képzésre van szükség. Ez gyakorlatban azt jelenti, hogy a sugárforrás pillanatnyi jóságának a megállapítása ezzel a módszerrel nem lehetséges.The production of two absorbers that are identical in all respects requires extremely high technological discipline, complicated measurement and verification procedures, and high costs. A further disadvantage of this solution is that these absorbers cannot be reproducibly reproduced, i.e., a sufficient number of absorbers having the same properties cannot be practically produced. The determination of the radiation nature of the radiation sources is independent of the above-mentioned method, which is based on the calorimetric measurement method. Other known solutions are provided for this purpose. A possible way to determine the divergence of radiation is to place a movable aperture along the radiation cross section, thereby dividing the radiation cross section into different areas. Such an arrangement is described, for example, in U.S. Pat. No. 3,830,571. or DD-WP 147 153 patent specification. This measurement principle, namely the division of the energy field of the radiation field into parts, requires a very large amount of time and requires complicated mechanical equipment and the movement of the aperture cannot be appropriately adapted to the individual pulses of radiation. In order to reduce the measurement error, which results from the source of the radiation, a very time-consuming averaging is required. In practice, this means that it is not possible to determine the instantaneous goodness of the radiation source using this method.

Az US 4029.162 sz. szabadalmi leírás egy optoelektronikus regisztráló berendezést ismertet, amelyben matricák segítségével lehet a sugárzás intenzitását változtatni, továbbá egyéb költséges és mindenképpen hibaforrásként szereplő eszközöket tartalmaz, ezen túlmenően pedig egy bonyolult elektronikus kiértékelő berendezést. A matrica ára igen magas.U.S. Pat. No. 4,029,162. U.S. Pat. No. 4,123,195 discloses an optoelectronic recording apparatus in which the intensity of radiation can be varied by means of stickers, and other costly and in any case error-prone devices, in addition to a sophisticated electronic evaluation device. The price of the sticker is very high.

Az elektromágneses sugár regisztrálására ismertek még különféle fotoregisztrálási eljárások, ahol a megvilágított filmnek valamilyen fotometriai úton történő analízisét való-21Various methods of photo registration for electromagnetic radiation registration are known, whereby photometric analysis of the illuminated film is possible.

183 806 sítják meg. Hátrányos ennél a kiértékelési módszernél, hogy a sugárzásról kapott adatok kiértékelése nem azonnal történik meg, és sorozatvizsgálatoknál vagy több sugárforrás vizsgálata esetén az eljárás nem alkalmazható.183,806. A disadvantage of this evaluation method is that the radiation data is not immediately evaluated and is not applicable to serial tests or multiple sources.

A találmány célja, hogy egy olyan mérési elrendezést valósítson meg, amely alkalmas elektromágneses sugárforrások sugárzási energiájának nagypontosságú, rövid mérésidejű, valamint környezettől független mérésre. További cél az, hogy ez a mérési eljárás viszonylag egyszerű alkatrészekkel és egyszerű technológiával legyen megvalósítható, és ezáltal gyors, szériaszerű méréseket lehessen elvégezni nagyszámú sugárforrás esetén is.It is an object of the present invention to provide a measuring arrangement suitable for high-precision, short-term measurement of the radiant energy of electromagnetic radiation sources, as well as for the environment. A further aim is to make this measurement process feasible with relatively simple components and simple technology, so that rapid, serial measurements can be made on a large number of radiation sources.

A találmány feladatát abban látja, hogy egy új megoldást valósítson meg elektromágneses sugárforrások által létrehozott hőenergia elvezetésére és mérésére.SUMMARY OF THE INVENTION It is an object of the present invention to provide a novel solution for conducting and measuring heat energy generated by electromagnetic radiation sources.

A találmány szerinti mérési elrendezés az elektromágneses sugárforrások sugárzási tulajdonságait a kalorimetriás mérési elv alkalmazásával valósítja meg, mérőfejek segítségével, amely mérőfejek abszorberből, hőelemekből és hőtartályból állnak. A találmány lényege abban van, hogy a hőelem sorozatok egy külső és egy belső, minden esetben önmagában zárt termikus és villamos vezető lemezes szerkezetből vannak kiképezve, ahol az egyes lemezelemek hőellenállás hidakon keresztül vannak összekötve a belső lemezes szerkezettől a külső lemezes szerkezet felé, továbbá ezek a hőelemek sorba vannak kapcsolva, továbbá, hogy a belső, önmagában zárt lemezes kialakítás belsejében az abszorber elemek termikusán vezető kapcsolatban vannak egymással, és a külső önmagukban zárt lemezes elemek termikus vezető kapcsolatban vannak a hőtartállyal, továbbá egy kiértékelő egység van a hőelemsorozat csatlakozásaihoz csatlakoztatva.The measuring arrangement according to the invention realizes the radiation properties of the electromagnetic radiation sources using the calorimetric measurement principle by means of probes consisting of an absorber, thermocouples and a heat reservoir. The essence of the invention is that the thermocouple assemblies are made of an outer and an inner, in each case self-contained thermal and electrical conductive plate structure, wherein each plate element is connected by thermal resistance bridges from the inner plate structure to the outer plate structure. the thermocouples are connected in series, and the inside self-enclosed plate members are thermally conductive in communication with one another and the outer self-enclosed sheet members are in thermal conductive relationship with the heat reservoir, and an evaluation unit is connected to the thermocouple series connections.

A külső és belső lemezes szerkezet egyes lemezei körgyűrű alakban lehetnek elhelyezve. Természetesen más geometriai alakzatban is elhelyezhetők. A külső és a belső lemezes szerkezet lemezelemeinek a száma célszerűen azonos, de a kívánt mérési pontosságtól függően bizonyos határok között változtatható.Individual plates of the outer and inner plate structure may be arranged in a circular shape. Of course, they can be placed in other geometric shapes. The number of plate elements of the outer and inner plate structure is preferably the same, but may be varied within certain limits depending on the desired measurement accuracy.

A találmány egyik előnyös kiviteli alakját az jellemzi, hogy a belső és a külső lemezes szerkezet, valamint az ezeket összekötő hőellenállás hidak sík vezeték nyalábok formájában vannak kialakítva egy termikusán és villamosán szigetelő alapanyagon.A preferred embodiment of the invention is characterized in that the inner and outer plate structure and the thermal resistance bridges connecting them are in the form of flat conductor beams on a thermally and electrically insulating substrate.

A hőtároló egy termikusán jól vezető anyagból kialakított tároló, amelynek hőkapacitása a hőelemsorozat hőkapacitásának sokszorosa kell legyen. A hőellenállás hidak általában ellenálláshuzalból vannak kialakítva és a lemezes elemekkel villamosán és termikusán vezető kapcsolatban vannak. A már ismertetett mérőfej segítségével igen rövid idő alatt, nagy pontossággal és nagy elbontóképességgel meg lehet mérni az elektromágneses sugárforrás energiáját. Ezen mérési eljárás további kiegészítő elemek segítségével alkalmas a sugárzás divergenciájának megállapítására is. Ebben az esetben legalább két mérőfejet kell a sugárnyaláb útjába elhelyezni, és a mérőfejeknek azok az abszorberei, amelyek a sugárforrástól a legtávolabb vannak a középpntjukban nyílásokkal vannak ellátva, amely nyílások mindenkor a sugárforrás felől nézve előre meghatározható, szabadon kiválasztható térszögnek felelnek meg. A találmány egyik további előnyös kiviteli alakját az jellemzi, hogy legalább három mérőfej van egymásután a sugár útjába elhelyezve, és az abszorber elemeknek a nyílásai a sugárforrástól való távolságuktól függően egyre kisebbek lesznek, azaz a távolabb levő abszorberen kisebb nyílás van. Ezzel a módszerrel lehetőség van arra, hogy különböző térszögek mellett az energiaeloszlást megmérjük. A kapott mérési eredmények kijelzésére és kiértékelésére azáltal van lehetőség, hogy a mérőfejekhez tartozó kiértékelő egység egy további központi kiértékelő egységgel van összekapcsolva. Ezen mérési elrendezés segítségével lehetőség van sugárforrások sugárzási energiájának a mérésére és megvizsgálására, továbbá sugárforrások sugárzási divergenciájának mérésére, luminescensdiódáknál vagy lézereknél, impulzus üzemmódban vagy tartós üzemmódban. A mérés gyorsan és kívánt pontossággal valósítható meg.The thermal storage is a storage made of a thermally well conducting material whose thermal capacity must be many times the thermal capacity of the thermocouple series. Thermal resistor bridges are generally constructed of resistor wire and are electrically and thermally conductive to the plate members. With the help of the probe described above, the energy of an electromagnetic radiation source can be measured in a very short time, with high accuracy and high resolution. This measurement method is also suitable for detecting radiation divergence with additional elements. In this case, at least two probes need to be positioned in the path of the beam, and the absorbents of the probes which are farthest from the source are provided with apertures in the center puncture, each aperture being a predetermined spatial angle from the source. Another preferred embodiment of the invention is characterized in that at least three probes are disposed in succession in the path of the beam, and the apertures of the absorber elements become smaller depending on their distance from the source, i.e. the aperture on the farther away is smaller. With this method it is possible to measure the energy distribution at different spatial angles. The measurement results obtained can be displayed and evaluated by connecting the evaluation unit for the probes to an additional central evaluation unit. With this measuring arrangement, it is possible to measure and examine the radiation energy of radiation sources, as well as radiation divergence of radiation sources, for luminescence diodes or lasers, in pulse mode or in continuous mode. Measurements can be made quickly and with the desired accuracy.

Azáltal, hogy a sugárforrás összenergiáját valamint a sugárzási divergenciát egyidejűleg tudjuk meghatározni, a mérési idő tényleges értékét is megkapjuk, A sugárforrás fluktuációja, amely a rendszerből fakad, valamint az esetleges és szükséges középérték képzés mérési hibát nem okoz. A mérési eredmények igen nagy biztonsággal adódnak.By simultaneously determining the total energy of the radiation source and the radiation divergence, the actual value of the measurement time is obtained. The fluctuation of the radiation source, which originates from the system, and the possible and necessary average value training do not cause measurement error. The measurement results are very reliable.

A találmányt a továbbiakban példakénti kiviteli alakjai segítségével ábrákon ismertetjük. AzThe invention will now be illustrated by means of exemplary embodiments. The

l. ábra a mérőfej vázlatos rajzát mutatja egy, a sugárzás energiájának mérésére kialakított mérési elrendezésnél, a ábra a mérőfejben levő hőelemsorozat vázlatos rajza, al. Fig. 4A is a schematic drawing of a probe in a measuring arrangement for measuring radiation energy, a schematic drawing of a series of thermocouples in the probe;

3. ábra egy olyan mérési elrendezést mutat a sugárzási energia mérésére, ahol a környezeti hőmérséklet változásának zavaró hatása ki van küszöbölve, a ábra a kiértékelő berendezés egyik előnyös kiviteli alakját mutatja, azFig. 3 shows a measuring arrangement for measuring radiation energy, where the disturbing effect of the change in ambient temperature is eliminated, the figure shows a preferred embodiment of the evaluating device,

5. ábra egy olyan mérési elrendezés vázlatos rajzát mutatja, ahol a sugárzási energiát és a sugárzás divergenciáját is mérhetjük, a ábra a sugárzási energia és sugárzás divergenciájának meghatározásához egy további mérési elrendezést mutat be.Figure 5 is a schematic drawing of a measurement arrangement where both radiation energy and radiation divergence can be measured, and the figure shows an additional measurement arrangement for determining radiation energy and radiation divergence.

Az 1. ábrán bemutatott vázlatos mérési elredezés elektromágneses sugárzás energiáját méri kalorimetriás mérési elv alkalmazásával. Ennél a mérési elrendezésnél a mérőfej egy 1 abszorberből, egy 2 hőelemből és 3 hőtárolóból áll, és az 1 abszorber megfelelően hővezető kapcsolatban van a 3 hőtárolóval. Az ábrán a 2 hőelemek sorozata csak vázlatosan van bemutatva, részletesebben ez a 2. ábrán látható. A 2 hőelem, ahogyan 2. ábrán látható, jó villamos és termikus vezetőképességű önmagukba zárt 4 külső és 5 belső lemezes szerkezetből van kialakítva. A könnyebb érthetőség kedvéért a lemezeknek csak igen száma van megrajzolva. A lemezek számát ugyanis a mérés pontossága határozza meg, amelyet az adott mérési elrendezéstől megkívánunk. Az 5 belső és a 4 külső lemezek egyes lemezei 6 hőellenállással vannak egymással összekapcsolva. Az egyes lemezeken átáramló hő jobb integrálása érdekében a lemezek 7 összekötő vezetékkel egymással sorba vannak kapcsolva. A 2 hőelem kivezetései 7 összekötő vezetékekkel vannak a 8 kiértékelő berendezéshez csatlakoztatva.The schematic measurement diagram shown in Figure 1 measures the energy of electromagnetic radiation using a calorimetric measurement principle. In this measuring arrangement, the probe consists of an absorber 1, a thermocouple 2 and a heat reservoir 3, and the absorber 1 is in a sufficiently thermally conductive relationship with the heat reservoir 3. In the figure, the array of thermocouples 2 is shown schematically, and is shown in greater detail in Figure 2. As shown in Fig. 2, the thermocouple 2 is formed of a self-contained outer and inner plate structure 4 having good electrical and thermal conductivity. For the sake of clarity, only a very large number of discs are drawn. The number of plates is determined by the accuracy of the measurement required by the particular measuring arrangement. The individual plates of the inner plates 5 and the outer plates 4 are interconnected by heat resistance 6. In order to better integrate the heat flowing through each plate, the plates are connected in series with a connecting cable 7. The terminals of the thermocouple 2 are connected by means of connecting wires 7 to the evaluation device 8.

Az 1. ábrán jól látható, hogy az 1 abszorber hővezető érintkezésben van az 5 belső lemezes szerkezet minden egyes lemezével. A 4 külső lemezes szerkezet egyes lemezei pedig hővezető kapcsolatban vannak a 3 hőtartállyal. A ? hőtároló egy termikusán jól vezető anyagból, például rézből van kialakítva, amely 3 hőtartálynak a hőkapacitása a 2 hőelem hőkapacitásának sokszorosa.As can be seen in Figure 1, the absorber 1 is in thermal contact with each plate of the inner plate structure 5. Each of the plates of the outer plate structure 4 is in thermal conductive relationship with the heat reservoir 3. THE ? the heat reservoir is formed of a thermally well conductive material, such as copper, which has a heat capacity 3 times the heat capacity of the heat element 2.

Az elektromágneses sugárforrás egy 9 sugárnyalábot boí sát ki, amely az 1 abszorberbe csapódik be. Az abszorber lehet tárcsaalakú vagy például kúpalakú is. Tárcsaalak esetében az abszorbeiós tulajdonság növelése érdekében cél3The electromagnetic radiation source bounces a beam 9 which enters the absorber 1. The absorber may also be disc-shaped or, for example, conical. In the case of disc shapes, the aim is to increase the absorbent property3

183 806 szerű a tárcsát 60°-os bordákkal ellátni. Az 1 abszorber anyaga feketített fém vagy grafit. A sugárforrásból kibocsátott sugárzás hatására az 1 abszorber abenne elnyelődött energia következtében felmelegszik. Az így keletkezett hő a 2 hőelemeken keresztül egy 3 hőtárolóba áramlik át. A 2 hőelemek két vége között fellépő hőmérséklet különbség termofeszültséget hoz létre, amely feszültséget a 8 kiértékelő és mérő berendezés segítségével lehet megmérni. A 2. ábrán bemutatott mérési elrendezésnél jól látható, hogy a 2 hőelemekúgy vannak elhelyezve, hogy a sugárforrás által kibocsátott energia következtében létrejövő termofeszültség az 1 abszorberben történő becsapódás szögétől függetlenül van integrálva a felület mentén. A 2. ábra a találmány egyik előnyös kiviteli alakját mutatja. Ebben az esetben a 2 hőelemek 5 külső és 4 belső lemezei valamint a 6 hőellenállás, amelyet jelen esetben egy ellenállás híd képez, síkban elhelyezett vezető nyalábok formájában vannak termikusán és villamosán szigetelő alaplapra felvíve. Ez a lap lehet például egy nyomtatott áramköri lemez is, ahol a 4 belső és az 5 külső lemezek valamint a 7 összekötő vezetékek maratással vannak megoldva.183,806 is fitted with 60 ° ribs. The material of the absorber 1 is blackened metal or graphite. As a result of the radiation emitted from the radiation source, the absorber 1 is heated by the energy absorbed by the abenne. The heat thus generated is transferred through the thermocouples 2 to a heat reservoir 3. The temperature difference between the two ends of the thermocouples 2 produces a thermal voltage which can be measured by means of the evaluation and measuring apparatus 8. In the measuring arrangement shown in Fig. 2, it is clear that the thermocouples 2 are arranged so that the thermal voltage generated by the energy emitted by the radiation source is integrated along the surface, regardless of the angle of impact in the absorber. Figure 2 illustrates a preferred embodiment of the invention. In this case, the outer plates 5 and 4 of the thermocouples 2 and the thermal resistor 6, which in this case is a resistor bridge, are thermally and electrically applied to the base plate in the form of planar conductive beams. This board can be, for example, a printed circuit board where the inner and outer plates 4 and the connecting wires 7 are solved by etching.

A 6 hőellenállás, illetőleg hőellenállás híd hőellenállás huzalból képezhető ki, és a maratott lemezes szerkezettel villamosán és termikusán vezető kapcsolatba hozható. Ezen kiviteli alaknak előnye, hogy a termoelektromos hatás erősebben érvényesül. Egy további előnyös kiviteli alakot képezhet a két előbb említett alak kombinációj a, vagyis amikor a 6 hőellenállás maratott vezetéknyalábok és/vagy hőellenálláshuzal együtteséből képezzük ki. A 2 hőelemek a fent ismertetett kialakítása egy olyan lehetőséget biztosít a mérés megvalósítására, amely minimális technológiai ráfordítást és egyszerű mérési eljárást tesz lehetővé, továbbá a sugárforrás sugárzási tulajdonságainak a mérésére több mérőfej is alkalmazható. A nyomtatott áramköri lemezben kiképzett nyalábok megfelelő méretezésével igen jó hőszigetelés, kis sugárzási veszteség és a mérés exakt reprodukálhatósága valósítható meg. A lecsengés! időállandót a nyomtatott áramköri lemezen kiképezett nyalábok szélessége alapján lehet meghatározni. Ezzel a mérési elrendezéssel sugárimpulzust éppúgy lehet mérni, mint tartós sugárzást.The thermal resistor 6 or thermal resistor bridge can be formed from a wire resistor and can be electrically and thermally conductive in contact with the etched plate structure. The advantage of this embodiment is that the thermoelectric effect is more pronounced. Another advantageous embodiment may be a combination of the two abovementioned shapes, i.e., when the heat resistor 6 is formed from a combination of etched wire beams and / or heat resistance wire. The above-described design of the thermocouples 2 provides an opportunity for the measurement to be carried out, which requires a minimal technological effort and a simple measuring procedure, and several measuring heads can be used to measure the radiation properties of the radiation source. By properly dimensioning the beams formed in the printed circuit board, very good thermal insulation, low radiation loss and exact reproducibility of the measurement can be achieved. The finishing touch! the time constant can be determined by the width of the beams formed on the printed circuit board. With this measuring arrangement, the radiation pulse can be measured as well as the continuous radiation.

A mérési pontosság tovább növelhető, ha a környezeti hőmérséklet zavaró hatásait, például a levegő hőmérsékletének az ingadozását kompenzáljuk. Erre a célra a már önmagában ismert különbségmérés elve alkalmazható.Measurement accuracy can be further enhanced by compensating for ambient temperature disturbances, such as air temperature fluctuations. For this purpose, the principle of difference measurement, known per se, can be applied.

Egy ilyen mérőfejet mutat be a 3. ábra. Az ábrán látható mérőfej két 1 abszorberből, a mérőabszorberből és a referenciaabszorberből, továbbá 2 hőelemből áll, és ezek az egyszerűbb technológiai megvalósítás érdekében valamint a reprodukálhatóság érdekében nyomtatott áramköri lemezen vannak elrendezve, továbbá tartalmaz a mérőfej egy 3 hőtárolót.Figure 3 illustrates such a probe. The probe shown in the figure consists of two absorbers 1, a measuring absorber and a reference absorber, as well as thermocouples 2, which are arranged on a printed circuit board for ease of technological implementation and reproducibility, and the probe includes a heat storage device 3.

Ennél a kiviteli alaknál a 2 hőelemek 4 külső és belső lemezes szerkezeteinek egyes lemezei körgyűrű alakúra vannak kiképezve. Az 1 abszorber geometriai formáját tekintve többféleképpen is kialakítható. Mivel a mérés pontosságát az egyes lemezek száma határozza meg, előnyös, hogy ha a 4 külső és 5 belső lemezek száma egymással egyenlő.In this embodiment, individual plates of the outer and inner sheet metal structures 4 of the thermocouples 2 are annular. The absorber 1 can be formed in a variety of ways with respect to its geometric shape. Since the accuracy of the measurement is determined by the number of individual plates, it is preferable that the number of outer and inner plates 4 be equal to each other.

Az 1. ábrán bemutatott 1 abszorber vagy a 3. ábrán bemutatott két 1 abszorber egy rétegellenállás formájában fűtőellenállással látható el. Egy további változatot képezhet, amikor a futőellenállást egy tekercselt kivitelű ellenállás képezi. Ezáltal az egyes mérőfejeknek a hitelesítése ismert energia hozzávezetésével egyszerű módon megoldható.The absorber 1 shown in Figure 1 or the two absorbers 1 shown in Figure 3 are provided with a heating resistor in the form of a film resistor. Another embodiment may be when the running resistor is a coiled design resistor. In this way, the calibration of each probe can be accomplished in a simple manner by applying known energy.

A 3. ábrán bemutatott különbségi elv alkalmazásával működő kapcsolási elrendezésnél, a második 1 abszorber, amely referencia abszorberként működik, meghatározott energia hozzávezetésével van ugyanarra a hőmérsékletre víve, mintáz 1 abszorber, azaz a mérőabszorber. A különbségi elv alkalmazásával kialakított mérési elrendezésnél a reagálási idő körülbelül kétszeres, a lecsengési időállandó pedig egy vagy két nagyságrenddel kisebb, mint a nem különbségi mérési elv alapján kialakított mérési elrendezésnél. Ennek a mérési eljárásnak még további előnye, hogy a következő mérésig a Nullpont vándorlás elhanyagolható értékű.3, the second absorber 1, which acts as a reference absorber, is brought to the same temperature by applying a defined energy, i.e. the absorber 1, i.e. the measuring absorber. The response time of the differential design is approximately twice the response time and the decay time constant is one or two orders of magnitude less than the non-difference measurement. A further advantage of this measurement method is that until the next measurement the Zero Point Migration is negligible.

A 3. ábrán bemutatott mérőfejhez csatlakoztatható 8 kiértékelő berendezés egyik előnyös kiviteli alakjának tömbvázlata látható a 4. ábrán. Itt egy elektronikus, vezérelt kompenzációs eljárást ismerhetünk meg. A tömbvázlat tartalmaz 10 mérőerősítőt, 11 A/D átalakítót, 12 kapuáramkört, 13 óragenerátort, 14 számlálót, 15 feszültséggenerátort, valamint 16 hitelesítő generátort, amelyek 7 összekötő vezetékkel vannak összekapcsolva egymással. A 8 kiértékelőberendezés villamos vezetékei, 7 összekötő vezetékek a 2 hőelemhez a mérőfejen belül vannak csatlakoztatva. Az 1 abszorberek (mérő- és referenciaabszorber) ebben az esetben kúpalakúra vannak kialakítva. A 17 ellenállások jelképezik a fűtőellenállást, amely fűtőellenállás a mérési képesség helyreállításának hitelesítésére van az 1 abszorberre felvíve. A 17 ellenállás szintén villamosán van a 8 kiértékelő berendezéssel összekapcsolva. A 11 A/D-átalakító feszülség-idő átalakítóként működik és ez az átalakító a jellel a 12 kapuáramkört vezérli, amely 12 kapuáramkör 14 számlálóra van csatlakoztatva, és amely 11 A/Dátalakító kimenete ugyanekkor a 15 feszültséggenerátort is bekapcsolja, azaz az 1 abszober, amely referenciaabszorberként működik a 17 ellenálláson keresztül ugyanazt az energiát megkapja egy rövid áramimpulzus alakjában. A mérőfej abszolút hitelesítésére van a mérési elrendezésbe a 16 hitelesítő generátor beépítve. Az ismertetett mérési eljárás segítségével valamint a mérőfejnek a leírt kiviteli alakban történő elhelyezésével az elektromágneses sugárforrás összenergiája gyorsan és pontosan meghatározható. A sugárforrás összenergiája mellett gyakran szükség van arra, hogy meghatározzuk, hogy az összenergia a 9 sugárnyaláb keresztmetszete mentén milyen formában oszlik meg. Ez azt jelenti, hogy a 18 sugárforrástól egy távolabbi térben a sugárzás divergenciáját kell mérni. Egy erre a célra kialakított mérési elrendezés látható az 5. ábrán.3 is a block diagram of a preferred embodiment of the evaluation device 8 that can be connected to the probe shown in FIG. Here is an electronic controlled compensation procedure. The block diagram includes a measuring amplifier 10, an A / D converter 11, a gate circuit 12, a clock generator 13, a counter 14, a voltage generator 15, and a calibration generator 16 interconnected by 7 interconnecting wires. The electrical wires, the connecting wires 7 of the evaluator 8 are connected to the thermocouple 2 inside the probe. The absorbers 1 (measuring and reference absorbers) are in this case formed in cone form. The resistors 17 represent the heating resistor which is applied to the absorber 1 to authenticate the restoration of the measurement capability. The resistor 17 is also electrically coupled to the evaluation device 8. The A / D converter 11 functions as a voltage-to-time converter and this converter controls the gate circuit 12 which is connected to the gate circuit counter 12 and whose A / D converter output 11 also switches the voltage generator 15, i.e. the absorber 1, which acts as a reference absorber through the resistor 17 and receives the same energy in the form of a short current pulse. For absolute calibration of the probe, the calibration generator 16 is integrated in the measuring arrangement. By means of the measuring method described and by placing the probe in the described embodiment, the total energy of the electromagnetic radiation source can be quickly and accurately determined. In addition to the total energy of the radiation source, it is often necessary to determine the form in which the total energy is distributed along the cross-section of the beam 9. This means that the divergence of the radiation must be measured at a distance away from the 18 radiation sources. A measurement arrangement for this purpose is shown in Figure 5.

Az 5. ábrán látható kiviteli alaknál az elektromágneses 18 sugáforrás 19 sugarának mentén legalább két 22 mérőfej van elhelyezve, ahogyan ez az ábrán jól megfigyelhető. Ajobb áttekinthetőség érdekében csak az 1 és Γ abszorbereket ábrázoltuk a sugárzás síkjára merőlegesen és a keresztmetszettel párhuzamos metszetben. Jelen esetben két 22 mérőfej van az összenergia és a sugárzás divergenciájának mérésére a mérési elrendezésben elhelyezve. Azonban a mérés megvalósítására tetszőleges számú mérőfej is alkalmazható. A 22 mérőfej 1 abszorbere, amely a 18 sugárforrástól legtávolabb fekvő 22’mérőfej van elhelyezve, középen egy 20 nyílással van ellátva. A 20 nyílás nagyságát a kívánt térszög határozza meg, amelyben a 18 sugárforrás energiaeloszlását kívánjuk mérni. A 22’mérőfej, amely az utolsó mérőfej, 1 abszorbere az elektromágneses sugárforrás energiatartamának regisztrálására szolgál, mégpedig annak az energiának, amely minden akadály nélkül halad keresztül az 1 abszorber 20 nyílásán. Egy központi 21 kiértékelő egység van kiképezve az egyes 8 kiértékelő egysé-41In the embodiment shown in Figure 5, at least two probes 22 are disposed along the radius 19 of the electromagnetic source 18, as can be clearly seen in the figure. For the sake of clarity, only absorbers 1 and Γ are plotted perpendicular to the plane of radiation and parallel to the cross section. In the present case, two probes 22 are arranged in the measuring arrangement for measuring the divergence of total energy and radiation. However, any number of probes may be used to carry out the measurement. The absorber 1 of the probe 22, which is located distal to the source 18, is provided with an opening 20 in the center. The size of the aperture 20 is determined by the desired spatial angle at which the energy distribution of the radiation source 18 is to be measured. The absorber 1 of the probe 22, which is the last probe, is used to register the energy content of the electromagnetic radiation source, the energy passing through the opening 20 of the absorber 1 without any obstacles. A central evaluation unit 21 is provided for each evaluation unit 41

183 806 gekből érkező jeleknek az értékelésére, amely jelek a 22 és a 22’ mérőfejekből érkeznek. A központi 21 kiértékelő egység az egyes mérőfejekhez, vagyis a 22 és a 22’ mérőfejhez tartozó 8 kiértékelő egységekkel 7 összekötő vezetékek segítségével van összekapcsolva. A 22 mérőfej a sugárzási energiának azt a részét méri, amely az előre kiválasztott térszögön kívül van. Ellentétben ezzel a 22’ mérőfej a sugárzási energiának azt a részét méri, amely az adott térszögön belül van. E két energiának az összege a sugárzás összenergiáját adja meg. A 21 kiértékelő egységben megjelenő adatokból egyszerű hányadosképzés segítségével, amely akár papírral, ceruzával, akár zsebszámológéppel elvégezhető, a sugárzási divergencia jellemzőjét állapíthatjuk meg a következő módon:183,806 gauge signals from the probes 22 and 22 '. The central evaluation unit 21 is connected to the evaluation units 8 for each probe, i.e. the probes 22 and 22 '. The probe 22 measures the amount of radiant energy outside the preselected spatial angle. In contrast, the probe 22 'measures the amount of radiant energy within a given spatial angle. The sum of these two energies gives the total energy of the radiation. From the data displayed in the 21 units of evaluation, by means of simple quotient, which can be done with paper, pencil or pocket calculator, the characteristic of radiation divergence can be determined as follows:

A képletben:In the formula:

E₂₂ — a 22 mérőfej által mért sugárzási energia értéke E₂₂. — a 22’ mérőfej által mért energia értéke Θ — a sugárzás divergenciájának mértéke.E ₂₂ - value of the radiant energy measured by the probe ₂₂ . - the energy measured by the probe 22 'Θ - the degree of divergence of the radiation.

Minden további nélkül belátható az, hogy abban az esetben ha Θ = 1, a sugárzás divergenciája igen jó, és abban az esetben ha Θ kisebb, mint 1, akkor egy lényegesen rosszabb divergenciájú sugárforrásról van szó.Without further ado, it can be seen that if Θ = 1, the radiation divergence is very good, and if Θ is less than 1, it is a source with significantly worse divergence.

Az 5. ábrán bemutatott kapcsolási elrendezés alkalmazási területe még tovább is kiszélesíthető. Erre egy további példát a 6. ábrán láthatunk. A 6. ábrán bemutatott kapcsolási elrendezés segítségével a sugárzás intenzitásának eloszlása határozható meg a keresztmetszet mentén. Ez a mérés azon a tényen alapul, hogy a legtöbb sugárforrás esetében az intenzitás elvi görbéje ismert, és így az intenzitás görbéjének exakt meghatározásához csak néhány további mérési pontra van szükség. A 6. ábrán bemutatott mérési elrendezés legalább három 22, 22’és 22” mérőfejet tartalmaz. A 22”, azaz utolsó mérőfejet megelőző 22 és 22’ mérőfejek közepén 20 nyílások vannak kialakítva, pontosabban az 1 és 1’ abszorber elemek közepén, amely 20 nyílásoknak a nagysága a sugárforrás felé haladva nő. A mérés további jellemzői az 5. ábrán bemutatott mérési elrendezéssel egyeznek meg.The field of application of the circuit arrangement shown in Figure 5 can be further expanded. A further example is shown in Figure 6. The circuit arrangement shown in Fig. 6 allows the distribution of radiation intensity to be determined along the cross-section. This measurement is based on the fact that for most radiation sources, the theoretical intensity curve is known, so that only a few additional measurement points are needed to determine the intensity curve accurately. The measuring arrangement shown in Figure 6 comprises at least three probes 22, 22 'and 22'. Apertures 20 are formed in the center of the probes 22 and 22 'preceding the last probe 22, more precisely in the center of the absorber elements 1 and 1', the apertures 20 of which increase in size towards the radiation source. Other measurement features are the same as the measurement layout shown in Figure 5.

A fent leírt mérési elrendezés Θ kiszámítására minden egyes térszög esetében könnyen számíthatóan meghatározható. Háromnál több 22 mérőfej is minden további nélkül alkalmazható, és ezáltal az egyes térszögtartományokban a sugárzás divergenciája pontosabban határozható meg. Mind az 5., mind pedig a 6. ábrán bemutatott kapcsolási elrendezés kialakítható a különbségi elv alkalmazásával is, és ebben az esetben az adott mérő — és referencia abszorber mindig ugyanakkora 20 nyílással kell ellátva legyen.For the calculation of the measuring arrangement Θ described above, it is readily predictable for each spatial angle. More than three probes 22 can be used without further ado, and thus more accurately determine the radiation divergence in each spatial range. The circuit arrangement shown in Figures 5 and 6 can also be formed by applying the difference principle, in which case the respective measuring and reference absorber must always have the same aperture 20.

Claims

Patent claims

A measuring arrangement for measuring the radiation properties of electromagnetic radiation sources using a calorimetric measurement principle, using probes consisting of an absorber, thermocouples and a heat storage, characterized in that the thermocouples (2) are self-contained, thermally and electrically conductive (4). are formed from an inner plate (5) structure, and some plates of the inner (5) and outer plate (4) are interconnected by heat resistance (6) and electrically connected in series with each other; the absorber (1) being thermally conductive in communication with all elements of the inner self-sealed sheet (5) and each element of the outer self-sealed sheet (4) being thermally coupled to the heat storage (3) and the thermocouples (2) its terminal is connected to an evaluation device (8) .

(Priority: 02.03.1981)

An embodiment of a measuring arrangement according to claim 1

1 to 5, characterized in that the outer plates (4) and inner plates (5) of the plate structure themselves are formed as annular rings.

(Priority: 02.03.1981)

Embodiment according to claim 1 or 2, characterized in that the number of the inner (4) plates (5) of the plate structure (k) is the same. (Due date: 02.03.1981)

4. An embodiment of a measuring arrangement according to any one of claims 1 to 5, characterized in that the inner (5)

25 and the outer plates (4) and the heat resistance (6) are in the form of planar conductive beams formed on a thermally and volatile insulating material.

(Priority: 02.03.1981)

5. An embodiment of a measuring arrangement according to any one of claims 1 to 5, characterized in that the heat storage (3) is made of a thermally conductive material and has a heat capacity of several times the heat capacity of the heat elements (2).

(Priority: 02.03.1981)

35

6. Embodiment of the measuring arrangement according to any one of claims 1 to 3, characterized in that the thermal resistor (6) is formed of a resistor wire and is thermally and volatilely connected by connecting wires (7) to the plate structure.

40 (Priority 02.02.1981)

7. An embodiment of a measuring arrangement according to any one of claims 1 to 3, characterized in that it comprises at least two probes located in the radius of the radiation source and the probes furthest from the radiation source (18).

In the absorber (Γ) of the preceding probe head, an aperture (20) is formed centrally, which aperture forms a predetermined space angle from the radiation source (18).

(Priority; July 31, 1981)

An embodiment of the measuring arrangement of claim 7

50 having at least three probes

i.22, 22 ', 22 ") and the apertures (20) in the absorbers (1, Γ) in the probes (22, 22') are formed with increasing value towards the radiation source (18).

(Priority: July 31, 1981)

9. An embodiment of a measuring arrangement according to claim 8, characterized in that each of the measuring heads (22,22 '22 ") is electrically connected to a central evaluation device (21).

(Priority: March 31, 1981)