RU2189568C1

RU2189568C1 - Method of measurement of power characteristics of high-power optical radiation

Info

Publication number: RU2189568C1
Application number: RU2001119155A
Authority: RU
Inventors: О.К. Филиппов; Е.И. Дмитриев; А.П. Гурьев; П.Н. Роговцев; С.А. Килимова
Original assignee: Министерство Российской Федерации по атомной энергии
Priority date: 2001-07-10
Filing date: 2001-07-10
Publication date: 2002-09-20

Abstract

FIELD: measurement technology; power photometry; development of superbright radiation source: high-power electric arcs and lasers. SUBSTANCE: method of measurement of power characteristics of high-power radiation includes absorption of optical radiation and recording thermal response of absorbing element; absorption of radiation is effected on material at X-region of spectrum for radiation power isotherms; recording of thermal response of absorbing element is effected at wave length in X-region of spectrum at time delay found from the following dependence: τ_del = τ_em.im, τ_del≥h²/a where τ_em.im is emission impulse duration and "a" is coefficient of thermal diffusivity of material of absorbing element and "h" is thickness of absorbing element. EFFECT: enhanced accuracy of measurements and enhanced reliability of measurements. 1 dwg, 1 tbl

Description

Изобретение относится к измерительной технике, а именно к энергетической фотометрии, и может найти применение при разработке, производстве и эксплуатации сверхъярких источников излучения - мощных электрических дуг, лазеров. The invention relates to measuring equipment, namely to energy photometry, and can find application in the development, production and operation of superbright radiation sources - powerful electric arcs, lasers.

В последние 30 лет получили широкое развитие силовые технологические лазеры, используемые в различных отраслях народного хозяйства, и светоиспытательные стенды для генерирования мощного оптического излучения, применяемые при проведении испытаний по воздействию такого излучения на различные материалы. Поэтому остается актуальной задача метрологического обеспечения таких работ, в частности, по измерению мощных световых потоков. In the past 30 years, power technological lasers used in various sectors of the national economy and light-testing stands for generating powerful optical radiation have been widely developed, which are used in testing the effects of such radiation on various materials. Therefore, the task of metrological support of such works, in particular, for measuring powerful light fluxes, remains urgent.

Традиционно задача решается помещением приемника излучения в измеряемый световой пучок после ослабителей излучения или измерением его ответвленной части. Но при больших мощностях светового излучения эти способы становятся ненадежными. Traditionally, the problem is solved by placing the radiation receiver in the measured light beam after the radiation attenuators or by measuring its branch part. But at high powers of light radiation, these methods become unreliable.

Известен способ измерения световых потоков (В.К. Грунин, А.В. Мезенов, Н. В. Пономарева. Дисковые термоэлектрические приемники для измерения излучения ОКГ. В кн.: Импульсная фотометрия. Л., "Машиностроение", 1975, вып. 4, с.47-50), основанный на воздействии лазерного излучения на приемный элемент, и регистрации теплового отклика воздействия этого излучения на элемент в виде эквивалентного значения термоЭДС. Он может применяться для измерения сравнительно высоких уровней энергии оптического излучения (≤50 Дж/см²), однако при этом возникают погрешности измерений, обусловленные нелинейной зависимостью термоЭДС от уровня интенсивности измеряемого излучения и распыления облучаемой поверхности.A known method of measuring light fluxes (V.K. Grunin, A.V. Mezenov, N.V. Ponomareva. Disk thermoelectric receivers for measuring laser radiation. In the book: Pulse photometry. L., "Mechanical Engineering", 1975, no. 4, p. 47-50), based on the effect of laser radiation on the receiving element, and recording the thermal response of the effect of this radiation on the element in the form of an equivalent value of thermopower. It can be used to measure relatively high energy levels of optical radiation (≤50 J / cm ² ), however, measurement errors arise due to the nonlinear dependence of the thermoEMF on the level of intensity of the measured radiation and the spraying of the irradiated surface.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является способ измерения энергетических характеристик мощного оптического излучения (В.М. Кузьмичев, М. П. Перепечай "Малоинерционный измеритель мощности излучения лазера на СО₂", Квантовая электроника, 1974, т. 1, N11, с. 2407), включающий поглощение оптического излучения и регистрацию теплового отклика поглощающего элемента. Регистрацию теплового отклика осуществляют по изменению электрического сопротивления поглощающего элемента от температуры (болометрический эффект). Поглощающий элемент выполняют в виде двух взаимно перпендикулярно ориентированных проволочных платиновых решеток, все нити которых электрически соединены последовательно и включены в одно из плеч мостовой схемы измерения сопротивления. Использование проволоки диаметром в единицы микрон для увеличения верхнего предела измеряемой плотности мощности ограничивается ее механической прочностью, наблюдается провисание проволок сеток при высоких уровнях интенсивности оптического излучения. Из-за нелинейности болометрического эффекта этот способ не обладает высокой точностью и надежностью измерений высоких энергий оптического излучения. Надежность результатов измерений зависит также от наводок систем электропитания мощных источников излучения на регистрирующее устройство.The closest in technical essence to the proposed one is a method for measuring the energy characteristics of high-power optical radiation (V.M. Kuzmichev, M.P. Perepechay, "Low-inertia CO ₂ laser radiation power meter", Quantum Electronics, 1974, v. 1, N11, s . 2407), including the absorption of optical radiation and the registration of the thermal response of the absorbing element. The registration of the thermal response is carried out by changing the electrical resistance of the absorbing element from temperature (bolometric effect). The absorbing element is made in the form of two mutually perpendicularly oriented platinum wire gratings, all of which are electrically connected in series and are included in one of the arms of the bridge resistance measurement circuit. The use of a wire with a diameter of a few microns to increase the upper limit of the measured power density is limited by its mechanical strength, sagging wire meshes are observed at high levels of optical radiation intensity. Due to the nonlinearity of the bolometric effect, this method does not have high accuracy and reliability of measurements of high energies of optical radiation. The reliability of the measurement results also depends on the interference from the power supply systems of powerful radiation sources to the recording device.

Техническим эффектом заявленного изобретения является увеличение точности измерений энергетических характеристик мощного оптического излучения при одновременном повышении надежности измерений. The technical effect of the claimed invention is to increase the accuracy of measurements of the energy characteristics of powerful optical radiation while improving the reliability of measurements.

Такой технический эффект достигнут нами, когда в способе измерения энергетических характеристик мощного оптического излучения, включающем поглощение оптического излучения и регистрацию теплового отклика поглощающего элемента, новым является то, что поглощение оптического излучения осуществляют на материале с Х - областью спектра* для изотерм излучательной способности, а регистрацию теплового отклика поглощающего элемента производят на длине волны в Х-области спектра с временной задержкой, определяемой соотношениями:
τ_зад = τ_и, τ_зад≥h²/a,
где τ_и - длительность импульса излучения,
а - коэффициент температуропроводности материала поглощающего элемента,
h - толщина поглощающего элемента.We have achieved such a technical effect when, in a method for measuring the energy characteristics of high-power optical radiation, which includes absorbing optical radiation and recording the thermal response of the absorbing element, it is new that the absorption of optical radiation is carried out on a material with X — the spectral region * for the emissivity isotherms, and the thermal response of the absorbing element is recorded at a wavelength in the X-region of the spectrum with a time delay determined by the relations:
τ _ass = τ _and , τ _ass ≥h ² / a,
where τ _and is the duration of the radiation pulse,
a is the coefficient of thermal diffusivity of the material of the absorbing element,
h is the thickness of the absorbing element.

* - Х-область (Х-точка) - область (точка) пересечения изотерм излучательной способности материала, см., например, "Излучательные свойства твердых материалов", Справочник под ред. Шейндлина А.Е., "Энергия", М., 1974 г., с. 235. * - X-region (X-point) - the region (point) of intersection of the isotherms of the emissivity of the material, see, for example, "Radiative properties of solid materials", Handbook, ed. Sheindlina A.E., "Energy", M., 1974, p. 235.

В предложенном изобретении осуществили измерение энергетических характеристик мощного оптического излучения в найденной нами спектральной области, где излучательная способность поглощающего материала не зависит от температуры нагрева и происходит фильтрация фонового излучения, а также разнесли во времени регистрацию теплового отклика и воздействие мощных электромагнитных помех, что привело к повышению надежности и точности измерений. In the proposed invention, we measured the energy characteristics of high-power optical radiation in the spectral region that we found, where the emissivity of the absorbing material does not depend on the heating temperature and the background radiation is filtered, and the thermal response and the effect of powerful electromagnetic interference are spaced in time, which led to an increase reliability and accuracy of measurements.

Принципиальная схема устройства, реализующего заявленный способ изобретения, дана на чертеже (пример конкретного исполнения). A schematic diagram of a device that implements the claimed method of the invention is given in the drawing (example of a specific implementation).

На чертеже показаны: поглощающий элемент 1, оптический фильтр 2, регистрирующее устройство 3 (радиометр), формирующая оптика 4,
Р - измеряемое оптическое излучение, h - толщина поглощающего элемента.The drawing shows: an absorbing element 1, an optical filter 2, a recording device 3 (radiometer), forming optics 4,
P is the measured optical radiation, h is the thickness of the absorbing element.

Принцип работы изобретения заключается в следующем. The principle of operation of the invention is as follows.

Размещают поглощающий элемент 1 в измеряемом мощном световом пучке Р. Часть этого светового потока поглощается этим элементом и нагревает его. Температура нагрева поглощающего элемента прямо пропорциональна энергии измеряемого потока и может служить мерой измеряемой величины. (Коэффициентом преобразования такого поглощающего элемента может являться отношение максимальной температуры на его тыльной поверхности к поглощенной части излучения. ) Поглощающий элемент по закону Планка испускает излучение, интенсивность которого определяется температурой его нагрева и излучательной способностью материала поглощающего элемента. В качестве материала для поглощающего элемента выбрали материал, обладающий особенным свойством, а именно, Х-областью спектра изотерм излучательной способности, в которой излучательная способность материала не зависит от температуры нагрева материала. Тем самым минимизировали дополнительные погрешности измерений, связанные с зависимостью излучательной способности материала от температуры, так как при различных уровнях интенсивности измеряемого излучения, излучательная способность материала поглощающего элемента в этой области спектра остается постоянной. После поглощающего элемента 1 установлен оптический фильтр 2, выделяющий длину волны в Х-области спектра изотерм иэлучательной способности материала. Выбор фильтра и, соответственно, длины волны, на которой будет производиться регистрация теплового излучения, будет определяться материалом поглощающего элемента. Так для вольфрама и золота эта длина волны будет иметь значение 1,28 и 0,51 мкм, соответственно. Фильтрация помимо решения основной задачи повышает точность и надежность измерений за счет подавления фонового теплового излучения, сопровождающего работу мощных источников оптического излучения. The absorbing element 1 is placed in a measured powerful light beam P. A part of this light flux is absorbed by this element and heats it. The heating temperature of the absorbing element is directly proportional to the energy of the measured flow and can serve as a measure of the measured value. (The conversion coefficient of such an absorbing element may be the ratio of the maximum temperature on its back surface to the absorbed part of the radiation.) The absorption element, according to Planck's law, emits radiation whose intensity is determined by its heating temperature and the emissivity of the material of the absorbing element. As the material for the absorbing element, a material was selected that has a special property, namely, the X-region of the spectrum of emissivity isotherms, in which the emissivity of the material does not depend on the heating temperature of the material. This minimized the additional measurement errors associated with the dependence of the emissivity of the material on temperature, since at different levels of intensity of the measured radiation, the emissivity of the material of the absorbing element in this region of the spectrum remains constant. After the absorbing element 1, an optical filter 2 is installed, which selects the wavelength in the X-region of the spectrum of isotherms and the emissivity of the material. The choice of filter and, accordingly, the wavelength at which thermal radiation will be recorded will be determined by the material of the absorbing element. So for tungsten and gold, this wavelength will have a value of 1.28 and 0.51 microns, respectively. In addition to solving the main problem, filtration increases the accuracy and reliability of measurements by suppressing the background thermal radiation accompanying the operation of powerful optical radiation sources.

Выбирая толщину материала поглощающего элемента, с одной стороны, и его теплофизические характеристики, с другой стороны, из найденных соотношений:
τ_зад≥τ_и; τ_зад = h²/a,
тем самым создали необходимую временную задержку теплового отклика от воздействия паразитных засветок и электромагнитных помех измеряемого мощного оптического излучения и, что, в свою очередь, повысило надежность результатов измерений. Работа мощных светоиспытательных стендов и технологических лазеров всегда сопровождается мощными электромагнитными помехами, оказывающими негативное влияние на схемы регистрации, тем самым искажая результаты измерений. Регистрирующее устройство 3 измеряет уровень теплового излучения поглощающего элемента пропорционально уровню измеряемого оптического излучения и откалибровано в энергетических единицах (Джоуль/Ватт). В качестве регистрирующего устройства могут быть использованы различные приборы. Для проецирования поверхности поглощающего элемента 1 на входное окно регистрирующего устройства 3 служит формирующая оптика 4.Choosing the thickness of the material of the absorbing element, on the one hand, and its thermophysical characteristics, on the other hand, from the relations found:
τ _ass ≥τ _and ; τ _ass = h ² / a,
thereby created the necessary time delay of the thermal response from the effects of spurious illumination and electromagnetic interference of the measured powerful optical radiation and, in turn, increased the reliability of the measurement results. The operation of high-power light-testing stands and technological lasers is always accompanied by powerful electromagnetic interference, which negatively affects the registration schemes, thereby distorting the measurement results. The recording device 3 measures the level of thermal radiation of the absorbing element in proportion to the level of the measured optical radiation and is calibrated in energy units (Joule / Watt). As a recording device, various devices can be used. To project the surface of the absorbing element 1 onto the input window of the recording device 3, forming optics 4 are used.

Пример конкретного выполнения способа. An example of a specific implementation of the method.

На нашем предприятии был создан образец устройства для измерения энергетических характеристик мощного оптического излучения, реализующий предлагаемый способ. Our company created a sample device for measuring the energy characteristics of powerful optical radiation, which implements the proposed method.

В качестве источника мощного светового излучения использовали поток Р (см. чертеж), создаваемый мощной, в 55 кВт, электрической дугой в ксеноновой лампе высокого давления на светоиспытательном стенде, предназначенном для проведения испытаний на воздействие мощных световых потоков на материалы. В этот поток помещалась вольфрамовая полоска (позиция 1) размером 10х2х0,1 мм³. Полоска разогревалась и излучала в ИК-области спектра. В качестве формирующей оптики (позиция 4) использовали сферическое зеркало с фокусным расстоянием 50 мм. Регистрировалось излучение от тыльной поверхности полоски на длине волны 1,28 мкм, определяемой интерференционным фильтром (позиция 2) и находящейся в Х-области спектра вольфрама. Излучение после интерференционного фильтра направлялось на регистрирующее устройство (позиция 3), состоящее из германиевого фотодиода ФД-256, подключенного через предусилитель к вольтметру Щ301. Световое воздействие снималось и полоска (приемный элемент) включалась в сеть постоянного тока от стабилизированного источника питания СПН-40. Подбором тока выбирают такой режим, когда сигналы германиевого приемника уравнивались для обоих случаев (оптического воздействия и электрического замещения). Приравнивая электрическую мощность к световой, определили светоэнергетические параметры мощного электродугового разряда, в частности, создаваемую им освещенность.A flux P (see drawing) was used as a source of high-power light radiation, which was created by a high-power, 55 kW, electric arc in a high-pressure xenon lamp on a light test bench designed to test the effects of high-power light fluxes on materials. A tungsten strip (position 1) 10 × ² × 0.1 mm ³ in size was placed in this stream. The strip was heated and radiated in the infrared region of the spectrum. A spherical mirror with a focal length of 50 mm was used as forming optics (position 4). The radiation was recorded from the back surface of the strip at a wavelength of 1.28 μm, determined by the interference filter (position 2) and located in the X-region of the tungsten spectrum. The radiation after the interference filter was directed to a recording device (item 3), consisting of an FD-256 germanium photodiode connected through a preamplifier to the Shch301 voltmeter. The light effect was removed and the strip (receiving element) was included in the direct current network from a stabilized power source SPN-40. By selecting a current, a mode is selected when the signals of the germanium receiver are equalized for both cases (optical exposure and electrical substitution). Equating the electric power to the light power, we determined the light-energy parameters of a powerful electric arc discharge, in particular, the illumination created by it.

Были проделаны 3 серии измерений по 5 отсчетов в каждой, из которых найдены значения освещенностей и определена погрешность измерений. Результаты опытов даны в таблице. 3 series of measurements were carried out, 5 samples in each, of which the illuminance values were found and the measurement error was determined. The results of the experiments are given in the table.

Погрешность определена равной 8,6%. The error is determined equal to 8.6%.

Предложенный способ измерения энергетических характеристик мощного оптического излучения значительно превосходит известные; он дает возможность расширения области измерений в сторону больших потоков с одновременным повышением надежности и точности. Эти преимущества достигаются путем специфического ослабления измеряемого излучения на приемном поглощающем элементе и регистрации вторичного теплового излучения. Способ измерения успешно осуществим в лабораторных, промышленных и натурных условиях, т.к. не требует дополнительных условий его осуществления, обеспечивает надежное и точное измерение энергетических характеристик мощных электродуговых разрядов, лазерных источников, применяемых в настоящее время в современных технологических процессах и решении специальных задач. The proposed method for measuring the energy characteristics of powerful optical radiation significantly exceeds the known; it makes it possible to expand the measurement region towards large flows with a simultaneous increase in reliability and accuracy. These advantages are achieved by specifically attenuating the measured radiation at the receiving absorbing element and recording secondary thermal radiation. The measurement method is successfully implemented in laboratory, industrial and field conditions, because It does not require additional conditions for its implementation, it provides reliable and accurate measurement of the energy characteristics of powerful electric arc discharges, laser sources, which are currently used in modern technological processes and solving special problems.

Claims

A method for measuring the energy characteristics of high-power optical radiation, including the absorption of optical radiation and recording the thermal response of the absorbing element, characterized in that the absorption of optical radiation is carried out on a material with an X-region of the spectrum for emissivity isotherms, and the thermal response of the absorbing element is recorded at a wavelength of X-region of the spectrum with a time delay τ _back defined by the relations:
τ _ass = τ _and , τ _ass ≥h ² / a,
where τ _and is the duration of the radiation pulse;
a is the coefficient of thermal diffusivity of the material of the absorbing element;
h is the thickness of the absorbing element.