RU2628675C1 - Photodetector for recording infrared radiation in field of 10,6 mkm - Google Patents

Photodetector for recording infrared radiation in field of 10,6 mkm Download PDF

Info

Publication number
RU2628675C1
RU2628675C1 RU2016119117A RU2016119117A RU2628675C1 RU 2628675 C1 RU2628675 C1 RU 2628675C1 RU 2016119117 A RU2016119117 A RU 2016119117A RU 2016119117 A RU2016119117 A RU 2016119117A RU 2628675 C1 RU2628675 C1 RU 2628675C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
chamber
gas
photodetector
filled
radiation
Prior art date
Application number
RU2016119117A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Дмитрий Витальевич Петров
Original Assignee
Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт мониторинга климатических и экологических систем Сибирского отделения Российской академии наук
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт мониторинга климатических и экологических систем Сибирского отделения Российской академии наук filed Critical Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт мониторинга климатических и экологических систем Сибирского отделения Российской академии наук
Priority to RU2016119117A priority Critical patent/RU2628675C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2628675C1 publication Critical patent/RU2628675C1/en

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
    • G01J5/00—Radiation pyrometry, e.g. infrared or optical thermometry
    • G01J5/58—Radiation pyrometry, e.g. infrared or optical thermometry using absorption; using extinction effect
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01K—MEASURING TEMPERATURE; MEASURING QUANTITY OF HEAT; THERMALLY-SENSITIVE ELEMENTS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01K11/00—Measuring temperature based upon physical or chemical changes not covered by groups G01K3/00, G01K5/00, G01K7/00 or G01K9/00
    • G01K11/22—Measuring temperature based upon physical or chemical changes not covered by groups G01K3/00, G01K5/00, G01K7/00 or G01K9/00 using measurement of acoustic effects
    • G01K11/24—Measuring temperature based upon physical or chemical changes not covered by groups G01K3/00, G01K5/00, G01K7/00 or G01K9/00 using measurement of acoustic effects of the velocity of propagation of sound

Landscapes

  • Investigating Or Analyzing Materials By The Use Of Ultrasonic Waves (AREA)
  • Investigating Or Analysing Materials By Optical Means (AREA)

Abstract

FIELD: physics.
SUBSTANCE: photodetector includes a sealed gas-filled chamber equipped with an entrance window transparent to the measured radiation and an electronics unit. Inside the chamber, which is a hollow parallelepiped, identical electroacoustic transducers connected to the electronics unit are installed in place of its two opposite faces, along which the measured radiation propagates. The chamber is filled with a gas mixture of nitrogen-sulfur hexafluoride with a total pressure of 1 atm and a relative gas concentration of
Figure 00000016
, where ℓ is the distance between the entrance window and the opposite face of the chamber.
EFFECT: increasing the device sensitivity.
1 dwg

Description

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения энергии излучения инфракрасного диапазона в области 10.6 мкм.The invention relates to measuring equipment and can be used to measure the radiation energy of the infrared range in the region of 10.6 μm.

Область диапазона длин волн 10,6 мкм является наиболее часто используемой в инфракрасном диапазоне. Во-первых, данный факт обусловлен тем, что здесь находятся линии излучения достаточно распространенного CO2-лазера. Во-вторых, близко к этой области находится максимум теплового излучения человека. В этой связи разработка фотоприемников, имеющих чувствительность в данном диапазоне и обладающих улучшенными характеристиками является достаточно актуальной.The range of the wavelength range of 10.6 μm is the most commonly used in the infrared range. Firstly, this fact is due to the fact that there are emission lines from a fairly widespread CO2 laser. Secondly, close to this area is the maximum thermal radiation of a person. In this regard, the development of photodetectors having sensitivity in this range and having improved characteristics is quite relevant.

Известен имеющий чувствительность в области 10, 6 мкм фотоприемник (ячейка Голея), содержащий герметичную камеру, заполненную газом с малой теплопроводностью, оснащенную входным окном, прозрачным для измеряемого излучения, поглощающей пленкой и гибкой мембраной, являющейся одной из стенок камеры [Ж. Аш и др. Датчики измерительных систем. Книга 1. Глава 5, стр. 219. Москва, "Мир", 1992]. При поглощении пленкой падающего на нее оптического излучения происходит ее нагрев и, вследствие теплопередачи, нагрев газа в камере, что приводит к повышению его давления и соответствующей деформации мембраны. По величине деформации судят о величине поглощенного оптического излучения. Недостатками данного фотоприемника являются неселективность приема, сравнительно большая инерционность и низкая пороговая чувствительность, обусловленная малыми величинами деформации мембраны при поглощении пленкой малых потоков оптического излучения.Known having a sensitivity in the region of 10, 6 μm photodetector (Golay cell), containing a sealed chamber filled with gas with low thermal conductivity, equipped with an input window transparent to the measured radiation, an absorbing film and a flexible membrane, which is one of the walls of the chamber [J. Ash et al. Sensors for measuring systems. Book 1. Chapter 5, p. 219. Moscow, Mir, 1992]. When a film absorbs optical radiation incident on it, it heats up and, due to heat transfer, heats the gas in the chamber, which leads to an increase in its pressure and corresponding deformation of the membrane. The magnitude of the deformation is judged on the magnitude of the absorbed optical radiation. The disadvantages of this photodetector are the non-selectivity of the reception, the relatively large inertia and low threshold sensitivity due to the small values of the deformation of the membrane when the film is absorbed by small flows of optical radiation.

Наиболее близким по принципу действия является оптико-акустический детектор. Данный фотоприемник содержит герметичную камеру, прозрачное для измеряемого излучения окно, акустический микрофон в качестве чувствительного элемента и блок электроники, где происходит вычисление величины падающей энергии излучения [Итанин Г.Г. и др. Источники и приемники излучения. Санкт-Петербург "Политехника", 1991. Глава 7, стр. 218]. В отличие от ячейки Голея, поглощение излучения происходит газом, которым наполнена камера, ввиду наличия у него соответствующих полос поглощения. По сравнению с приведенным выше фотоприемником, он обладает спектральной селективностью, меньшей инерционностью и более высокой чувствительностью.The closest to the principle of action is an optical-acoustic detector. This photodetector contains a sealed chamber, a window transparent for the measured radiation, an acoustic microphone as a sensitive element, and an electronics unit, where the value of the incident radiation energy is calculated [G. Itanin. et al. Sources and receivers of radiation. St. Petersburg "Polytechnic", 1991. Chapter 7, p. 218]. Unlike the Golay cell, radiation is absorbed by the gas that the chamber is filled with, due to the presence of corresponding absorption bands. Compared with the above photodetector, it has spectral selectivity, lower inertia and higher sensitivity.

Основным недостатком оптико-акустического детектора является крайне низкая защищенность от влияния акустических и вибрационных помех, обусловленная использованием в качестве чувствительного элемента акустического микрофона. Это обстоятельство приводит к тому, что несмотря на то что чувствительность в средней ИК-области спектра данного фотоприемника приближается к фотоприемникам других типов, а в дальней ИК-области существенно превосходит их, использование его при решении целого ряда практических задач существенно ограничено. Высокая степень восприимчивости данного фотоприемника к акустическим и вибрационным шумам существенно ухудшает его пороговую чувствительность по сравнению с принципиально достижимыми значениями и делает его малопригодным для использования в широкой практике в реальных производственных условиях.The main disadvantage of the optical-acoustic detector is the extremely low immunity from the influence of acoustic and vibration interference, due to the use of an acoustic microphone as a sensitive element. This circumstance leads to the fact that despite the fact that the sensitivity in the mid-IR region of the spectrum of this photodetector is close to other types of photodetectors, and far exceeds them in the far infrared region, its use in solving a number of practical problems is significantly limited. The high degree of susceptibility of this photodetector to acoustic and vibrational noise significantly worsens its threshold sensitivity in comparison with fundamentally achievable values and makes it unsuitable for use in wide practice in real production conditions.

Задачей, на решение которой направлено изобретение, является снижение восприимчивости к акустическим и вибрационным шумам. Технический результат - повышение чувствительности устройства.The problem to which the invention is directed, is to reduce the susceptibility to acoustic and vibrational noise. The technical result is an increase in the sensitivity of the device.

Указанный результат достигается тем, что, как и в известном устройстве, фотоприемник содержит герметичную камеру, наполненную газом, оснащенную входным окном, прозрачным для измеряемого излучения, и блок электроники, однако внутри камеры, представляющей собой полый параллелепипед, на месте двух ее противоположных граней, вдоль которых распространяется измеряемое излучение, установлены соединенные с блоком электроники идентичные электроакустические преобразователи, а сама камера заполнена газовой смесью азот-элегаз общим давлением 1 атм, с относительной концентрацией элегаза

Figure 00000001
, где
Figure 00000002
- расстояние между входным окном и противоположной гранью камеры.This result is achieved by the fact that, as in the known device, the photodetector contains a sealed chamber filled with gas, equipped with an input window transparent for the measured radiation, and an electronics unit, however, inside the chamber, which is a hollow parallelepiped, in place of its two opposite faces, along which the measured radiation propagates, identical electroacoustic transducers connected to the electronics block are installed, and the chamber itself is filled with a nitrogen-SF6 gas mixture with a total pressure of 1 TM, with the relative concentration of sulfur hexafluoride
Figure 00000001
where
Figure 00000002
- the distance between the input window and the opposite side of the camera.

Известно, что при поглощении энергии излучения происходит изменение температуры газа, находящегося в герметичной камере. В свою очередь скорость звука (с) в газе однозначно связана с его температурой (Т) соотношениемIt is known that when the radiation energy is absorbed, the temperature of the gas in the sealed chamber changes. In turn, the speed of sound (s) in a gas is uniquely related to its temperature (T) by the ratio

Figure 00000003
Figure 00000003

где

Figure 00000004
- отношение теплоемкостей данного газа при постоянном давлении и постоянном объеме, R - универсальная газовая постоянная, μ -молекулярный вес газа.Where
Figure 00000004
is the ratio of the specific heat of a given gas at constant pressure and constant volume, R is the universal gas constant, and μ is the molecular weight of the gas.

В соответствии с этим изменение температуры газа может быть определено из соотношенияAccordingly, the change in gas temperature can be determined from the relation

Figure 00000005
Figure 00000005

где с1 и с2 - скорости распространения звука в газе при температурах Т1 и Т2 соответственно.where c 1 and c 2 are the velocities of sound propagation in a gas at temperatures T 1 and T 2, respectively.

Таким образом, в случае поглощения внутри герметичной камеры, наполненной газом, падающего оптического излучения будет происходить нагрев газа и, следовательно, энергия излучения (Е) может быть определена посредством измерения скоростей звука в данном газе до воздействия излучения (c1) и после (с2).Thus, in the case of absorption of the incident optical radiation inside the sealed chamber filled with gas, the gas will heat up and, therefore, the radiation energy (E) can be determined by measuring the speed of sound in this gas before exposure to radiation (c 1 ) and after (c 2 ).

Figure 00000006
Figure 00000006

где k - коэффициент пропорциональности, который может быть рассчитан аналитически либо определен эмпирически путем калибровочных измерений.where k is the coefficient of proportionality, which can be calculated analytically or determined empirically by means of calibration measurements.

Методы измерения скорости ультразвука на сегодняшний день достаточно хорошо развиты и относительно просты в реализации. Ввиду этого, температура газовой среды может быть измерена с относительно малой инерционностью (<10 ms) при чувствительности менее 0,01 К.Methods for measuring the speed of ultrasound are currently fairly well developed and relatively simple to implement. In view of this, the temperature of the gaseous medium can be measured with a relatively low inertia (<10 ms) with a sensitivity of less than 0.01 K.

В качестве газа для наполнения камеры, поглощающего оптическое излучение в области 10.6 мкм, предлагается использование элегаза (SF6), который обладает интенсивными полосами поглощения в диапазоне 10.5-10.65 мкм. При этом, ввиду высокого коэффициента поглощения (~60 см-1), при его содержании в камере уже на уровне 0,1 атм на расстоянии 1 см происходит поглощение более 99.9% падающего излучения. Однако данный газ, также обладает большим коэффициентом затухания ультразвука и относительно высокой удельной теплоемкостью.As the gas filling chamber for absorbing optical radiation in the region of 10.6 m, it is proposed the use of sulfur hexafluoride (SF 6) which has intense absorption bands in the range 10.5-10.65 microns. Moreover, due to the high absorption coefficient (~ 60 cm -1 ), when it is already in the chamber at a level of 0.1 atm at a distance of 1 cm, more than 99.9% of the incident radiation is absorbed. However, this gas also has a high attenuation coefficient of ultrasound and a relatively high specific heat.

В связи с этим предлагается использование для наполнения камеры газовой смеси азот-элегаз общим давлением 1 атм. Относительную концентрацию элегаза в данной смеси (исходя из закона Бугера) предлагается использовать равной

Figure 00000007
, где
Figure 00000008
- расстояние между входным окном и противоположной гранью камеры. При меньшей концентрации будет происходить неполное поглощение падающей энергии, что будет отражаться на величине чувствительности устройства, а при большей концентрации будет возрастать удельная теплоемкость газовой среды и коэффициент затухания ультразвука, что также будет оказывать негативное влияние на измерения.In this regard, the use of nitrogen-SF6 gas mixture with a total pressure of 1 atm is proposed for filling the chamber. The relative concentration of SF6 in this mixture (based on Booger's law) is proposed to be used equal to
Figure 00000007
where
Figure 00000008
- the distance between the input window and the opposite side of the camera. At a lower concentration, incomplete absorption of incident energy will occur, which will affect the sensitivity of the device, and at a higher concentration, the specific heat of the gas medium and the attenuation coefficient of ultrasound will increase, which will also have a negative effect on the measurements.

Также для увеличения чувствительности предлагается такое расположение электроакустических преобразователей, что ультразвуковые волны от излучателя к приемнику будут распространяться по всему объему камеры, в т.ч. в непосредственной близости от входного окна, где величина нагрева газа будет максимальна.Also, to increase the sensitivity, an arrangement of electro-acoustic transducers is proposed such that ultrasonic waves from the emitter to the receiver will propagate throughout the chamber, including in the immediate vicinity of the entrance window, where the amount of gas heating will be maximum.

На фиг. 1 приведено изображение предлагаемого фотоприемника.In FIG. 1 shows an image of the proposed photodetector.

Фотоприемник содержит герметичную камеру 1, входное окно 2, электроакустические преобразователи 3, 4 и блок электроники 5.The photodetector contains a sealed chamber 1, an input window 2, electro-acoustic transducers 3, 4 and an electronics unit 5.

Фотоприемник работает следующим образом.The photodetector works as follows.

Измеряемое оптическое излучение сквозь прозрачное входное окно (2) направляется внутрь герметичной камеры (1), которая наполнена газовой смесью азот-элегаз общим давлением 1 атм, с относительной концентрацией элегаза

Figure 00000009
, где
Figure 00000010
- расстояние между входным окном и противоположной гранью камеры. Внутри камеры, представляющей собой полый параллелепипед, на месте двух ее противоположных граней, вдоль которых распространяется измеряемое излучение, установлены соединенные с блоком электроники (5) идентичные электроакустические преобразователи (3, 4), один из которых является источником (3) ультразвуковых волн, а другой - приемником (5). Блок электроники осуществляет подачу электрических импульсов на электроакустический преобразователь (3) и измеряет время прихода ультразвукового импульса на приемник (4). Поскольку расстояние между данными электроакустическими преобразователями фиксировано, то путем измерения времени пролета ультразвуковых импульсов определяется скорость распространения звука внутри камеры. В результате поглощения оптического излучения газовой смесью происходит ее нагрев, что приводит к мгновенному увеличению измеряемой скорости ультразвука. Таким образом, путем непрерывного измерения скоростей звука в газе, которым наполнена камера, измеряются скорости звука до воздействия оптического излучения и после. Согласно приведенному выше соотношению 3, путем использования двух данных величин скорости звука, в блоке электроники определяется величина измеряемой энергии излучения.The measured optical radiation through the transparent inlet window (2) is directed inside the sealed chamber (1), which is filled with a nitrogen-gas mixture with a total pressure of 1 atm, with a relative concentration of gas
Figure 00000009
where
Figure 00000010
- the distance between the input window and the opposite side of the camera. Inside the chamber, which is a hollow parallelepiped, in place of its two opposite faces along which the measured radiation propagates, identical electro-acoustic transducers (3, 4) connected to the electronics block (3) are installed, one of which is a source (3) of ultrasonic waves, and the other is the receiver (5). The electronics block delivers electric pulses to the electro-acoustic transducer (3) and measures the time of arrival of the ultrasonic pulse to the receiver (4). Since the distance between these electro-acoustic transducers is fixed, by measuring the time of flight of ultrasonic pulses, the speed of sound propagation inside the chamber is determined. As a result of the absorption of optical radiation by the gas mixture, it is heated, which leads to an instant increase in the measured ultrasound velocity. Thus, by continuously measuring the speed of sound in the gas that the chamber is filled with, the speed of sound is measured before and after exposure to optical radiation. According to the above ratio 3, by using two data values of the speed of sound, the measured radiation energy is determined in the electronics unit.

Необходимо отметить, что индикация результата может быть осуществлена как на встроенном в блок электроники дисплее, так и посредством его вывода на внешний экран (например, на экран компьютера).It should be noted that the indication of the result can be carried out both on the display integrated in the electronics unit, and by means of its output to an external screen (for example, to a computer screen).

Заявленный технический результат обеспечивается тем, что в отличие от прототипа, данный фотоприемник не имеет в качестве регистрирующего датчика высокочувствительного микрофона, обладающего большой степенью восприимчивости к посторонним акустическим и вибрационным шумам.The claimed technical result is ensured by the fact that, unlike the prototype, this photodetector does not have a highly sensitive microphone as a recording sensor, which has a high degree of susceptibility to extraneous acoustic and vibration noise.

Claims (1)

Фотоприемник для регистрации инфракрасного излучения в области 10,6 мкм, содержащий герметичную камеру, наполненную газом, оснащенную входным окном, прозрачным для измеряемого излучения, и блок электроники, отличающийся тем, что внутри камеры, представляющей собой полый параллелепипед, на месте двух ее противоположных граней, вдоль которых распространяется измеряемое излучение, установлены соединенные с блоком электроники идентичные электроакустические преобразователи, а сама камера заполнена газовой смесью азот-элегаз общим давлением 1 атм, с относительной концентрацией элегаза
Figure 00000011
, где l - расстояние между входным окном и противоположной гранью камеры.A photodetector for detecting infrared radiation in the region of 10.6 μm, containing a sealed chamber filled with gas, equipped with an input window transparent to the measured radiation, and an electronics unit, characterized in that inside the chamber, which is a hollow parallelepiped, in place of its two opposite faces along which the measured radiation propagates, identical electro-acoustic transducers connected to the electronics block are installed, and the chamber itself is filled with a nitrogen-SF6 gas mixture with a total pressure m 1 atm, the relative concentration of sulfur hexafluoride
Figure 00000011
where l is the distance between the input window and the opposite side of the camera.
RU2016119117A 2016-05-17 2016-05-17 Photodetector for recording infrared radiation in field of 10,6 mkm RU2628675C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2016119117A RU2628675C1 (en) 2016-05-17 2016-05-17 Photodetector for recording infrared radiation in field of 10,6 mkm

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2016119117A RU2628675C1 (en) 2016-05-17 2016-05-17 Photodetector for recording infrared radiation in field of 10,6 mkm

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2628675C1 true RU2628675C1 (en) 2017-08-21

Family

ID=59744778

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2016119117A RU2628675C1 (en) 2016-05-17 2016-05-17 Photodetector for recording infrared radiation in field of 10,6 mkm

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2628675C1 (en)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN112394106A (en) * 2020-11-02 2021-02-23 珠海华瑞诚科技有限公司 Distribution room system and SF6 gas concentration detection method

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5436452A (en) * 1992-06-15 1995-07-25 California Institute Of Technology Uncooled tunneling infrared sensor
RU2208224C2 (en) * 2001-03-14 2003-07-10 Институт оптического мониторинга СО РАН Procedure measuring energy of optical and shf radiation
EP2060891A1 (en) * 2007-11-12 2009-05-20 Technische Universiteit Delft Infrared sensor comprising a Golay cell

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5436452A (en) * 1992-06-15 1995-07-25 California Institute Of Technology Uncooled tunneling infrared sensor
RU2208224C2 (en) * 2001-03-14 2003-07-10 Институт оптического мониторинга СО РАН Procedure measuring energy of optical and shf radiation
EP2060891A1 (en) * 2007-11-12 2009-05-20 Technische Universiteit Delft Infrared sensor comprising a Golay cell

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
Корольков В. А., Петров Д. В. "Термоакустический фотоприемник для дальнего ик-диапазона", ИЗВЕСТИЯ ВЫСШИХ УЧЕБНЫХ ЗАВЕДЕНИЙ, ФИЗИКА, т. 53, No 9-3, 2010 г., стр. 153-154. *

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN112394106A (en) * 2020-11-02 2021-02-23 珠海华瑞诚科技有限公司 Distribution room system and SF6 gas concentration detection method

Similar Documents

Publication Publication Date Title
EP1836477B1 (en) Background acoustic signal suppression in photoacoustic detector
EP0418224A1 (en) Transducer device operating with ultrasound for the measurement of the flow velocity of a fluid in a pipe.
JP2008524616A (en) Ultrasonic flow meter with pressure sensor
US6628570B2 (en) Laser velocimetry detection of underwater sound
CN108663296B (en) Dust concentration detection system and detection method based on double-frequency ultrasound
JP6840134B2 (en) Noise canceling detector
CN108535158A (en) A kind of sound-electric compound dust concentration detecting system and detection method
RU2628675C1 (en) Photodetector for recording infrared radiation in field of 10,6 mkm
US20180149537A1 (en) Dual acoustic pressure and hydrophone sensor array system
US3983424A (en) Radiation detector employing acoustic surface waves
CN106959171A (en) Temperature and humidity measurement method based on ultrasonic wave, laser absorption spectroscopy
CN104819769B (en) A kind of vibration measurement device based on polarization singular point beam laser speckle
AU2015249080A1 (en) Apparatus and a method for providing a time measurement
RU2208224C2 (en) Procedure measuring energy of optical and shf radiation
JP2009537836A5 (en)
RU2636138C1 (en) Method of measuring energy of radiation of infrared and teragertz ranges
CN207366101U (en) A kind of humiture measurement mechanism
RU2457453C1 (en) Fibre-optic pressure transducer
JP2004502364A (en) Optical microphone / sensor
Suomi et al. Sonic anemometer-thermometer
BR112022010736A2 (en) BOTTOM FIBER OPTIC HYDROPHONE
RU2568038C1 (en) Method to detect microconcentrations of flammable and toxic gases
Barone et al. Large band low frequency sensors based on Watts linkage for future generations of interfero-metric detectors
RU2460990C1 (en) Detecting cuvette for photothermoacoustic gas analyser
US11366054B2 (en) Noncontact liquid crystalline broadband optoacoustic sensors