UA146467U

UA146467U - CRYOGENIC RADIOMETER

Info

Publication number: UA146467U
Application number: UAU202005457U
Authority: UA
Inventors: Анатолій Савелійович Литвиненко; Павло Іванович Неєжмаков; Євген Петрович Тимофеєв
Original assignee: Харківський Національний Університет Міського Господарства Імені О.М. Бекетова
Priority date: 2020-08-25
Filing date: 2020-08-25
Publication date: 2021-02-24

Abstract

Кріогенний радіометр містить вакуумну камеру з вікном, через яке вимірюване випромінювання надходить на оптико-електричний вимірювальний перетворювач, систему автоматичного заміщення і обробки інформації та кріогенну систему охолодження і стабілізації температури. При цьому у вакуумній камері перед оптико-електричним вимірювальним перетворювачем встановлено трап-детектор, приймальний фотодіод якого розміщено на рухомій платформі з можливістю переміщення перпендикулярно напрямку поширення вимірюваного випромінювання і установки приймального фотодіода на шляху поширення випромінювання або поза ним для проходження випромінювання на оптико-електричний вимірювальний перетворювач.The cryogenic radiometer contains a vacuum chamber with a window through which the measured radiation enters the optical-electric measuring transducer, a system of automatic substitution and information processing and a cryogenic system of cooling and temperature stabilization. In this case, a trap detector is installed in the vacuum chamber in front of the optoelectric measuring transducer, the receiving photodiode of which is placed on a movable platform with the ability to move perpendicular to the direction of propagation of the measured radiation and to install the receiving photodiode. transformer.

Description

Корисна модель належить до метрології і, зокрема, може бути використана при проведенні прецизійних вимірювань фотометричних, радіометричних та спектрорадіометричних характеристик джерел і приймачів випромінювання у широкому спектральному діапазоні.The useful model belongs to metrology and, in particular, can be used when carrying out precise measurements of photometric, radiometric and spectroradiometric characteristics of radiation sources and receivers in a wide spectral range.

Відома конструкція неселективного радіометра з електричним заміщенням, що працює при кімнатній температурі 1). Радіометр містить вакуумну камеру з вікном, через яку вимірюване випромінювання спрямовується на оптико-електричний вимірювальний перетворювач, та систему автоматичного заміщення і обробки інформації.A well-known design of a non-selective radiometer with electrical substitution, operating at room temperature 1). The radiometer contains a vacuum chamber with a window, through which the measured radiation is directed to the optical-electrical measuring converter, and a system of automatic substitution and processing of information.

Процедура вимірювання включає наступні операції. Спочатку направляють на радіометр вимірюваний радіаційний потік Після виходу на стаціонарний режим балансують сигнал підсилювача за допомогою стабілізованого джерела регульованої напруги. Потім перекривають заслінку і вмикають систему автоматичного заміщення, яка забезпечує нагрів радіометра до тієї ж температури. При цьому радіометр забезпечує похибку вимірювань порядку 0,3 95, що досить багато для прецизійних вимірювань.The measurement procedure includes the following operations. First, the measured radiation flow is sent to the radiometer. After reaching the stationary mode, the amplifier signal is balanced using a stabilized source of adjustable voltage. Then the damper is closed and the automatic replacement system is turned on, which ensures heating of the radiometer to the same temperature. At the same time, the radiometer provides a measurement error of the order of 0.3 95, which is quite a lot for precise measurements.

Найбільш високу точність вимірювань забезпечують кріогенні радіометри, які знаходять переважне застосування в таких напрямках оптичної радіометрії, як високоточне калібрування за допомогою стабілізованих лазерів еталонних оптико-електричних вимірювальних перетворювачів термоелементів, калориметрів, кремнієвих фотодіодів, болометрів тощо, та при вимірюваннях енергетичної яскравості низькотемпературних моделей чорного тіла.The highest accuracy of measurements is provided by cryogenic radiometers, which are mainly used in such areas of optical radiometry as high-precision calibration using stabilized lasers of reference optical-electrical measuring converters of thermocouples, calorimeters, silicon photodiodes, bolometers, etc., and in measurements of the energy brightness of low-temperature blackbody models .

Найближчим за технічною суттю до корисної моделі, що заявляється, є кріогенний радіометр |2), що містить вакуумну камеру з вікном, через яке вимірюване випромінювання потрапляє на оптико-електричний вимірювальний перетворювач, систему автоматичного заміщення і обробки інформації та кріогенну систему охолодження і стабілізації температури.The closest in terms of technical essence to the claimed useful model is a cryogenic radiometer |2), which contains a vacuum chamber with a window through which the measured radiation enters the optical-electric measuring converter, a system of automatic substitution and processing of information, and a cryogenic cooling and temperature stabilization system .

В цьому випадку значне зменшення теплоємності чистих металів при кріогенних температурах дозволяє створювати відносно великі, майже ідеальні "пастки" оптичного випромінювання без збільшення постійної часу оптико-електричного вимірювального перетворювача. Збільшення температуропровідності мінімізує похибки, породжувані нееквівалентністю заміщення вимірюваної оптичної потужності, відомою з високою точністю електричною потужністю, а використання надпровідних проводів дозволяє не зважати на джоулеве тепло, яке виділяється в них, і практично не впливає на загальний баланс похибок.In this case, a significant decrease in the heat capacity of pure metals at cryogenic temperatures makes it possible to create relatively large, almost ideal "traps" of optical radiation without increasing the time constant of the optical-electrical measuring transducer. The increase in thermal conductivity minimizes the errors generated by the non-equivalence of replacing the measured optical power with electrical power known with high accuracy, and the use of superconducting wires allows you to ignore the Joule heat released in them and practically does not affect the overall balance of errors.

Зо Все це дозволило істотно підвищити точність вимірювань. Разом із тим, аналіз похибок (21 показує, що найбільшу похибку у вимірювання вносить вікно, встановлене під кутом Брюстера, через яке випромінювання спрямовується на оптико-електричний вимірювальний перетворювач.All this made it possible to significantly increase the accuracy of measurements. However, the analysis of errors (21) shows that the largest error in the measurement is introduced by the window installed at the Brewster angle, through which the radiation is directed to the optical-electrical measuring transducer.

В основу корисної моделі поставлено задачу удосконалення конструкції кріогенного радіометра, в якому завдяки розташуванню трап-детектора в вакуумній камері стає можливим вимірювання коефіцієнта пропускання вікна, що дозволяє підвищити точність вимірювань.The basis of a useful model is the task of improving the design of a cryogenic radiometer, in which, thanks to the placement of the trap detector in the vacuum chamber, it becomes possible to measure the transmittance of the window, which makes it possible to increase the accuracy of measurements.

Поставлена задача вирішується тим, що в кріогенному радіометрі, що містить вакуумну камеру з вікном, через яке вимірюване випромінювання потрапляє на оптико-електричний вимірювальний перетворювач, систему автоматичного заміщення і обробки інформації та кріогенну систему охолодження і стабілізації температури, згідно з корисною моделлю, у вакуумній камері перед оптико-електричним вимірювальним перетворювачем встановлено трап-детектор, приймальний фотодіод якого розміщено на рухомій платформі з можливістю переміщення перпендикулярно напрямку поширення вимірюваного випромінювання і установки приймального фотодіода на шляху поширення випромінювання або поза ним для проходження випромінювання на оптико-електричний вимірювальний перетворювач.The problem is solved by the fact that in a cryogenic radiometer containing a vacuum chamber with a window through which the measured radiation enters the optical-electrical measuring converter, a system of automatic substitution and processing of information and a cryogenic system of cooling and temperature stabilization, according to a useful model, in a vacuum a trap detector is installed in the camera in front of the optical-electrical measuring transducer, the receiving photodiode of which is placed on a movable platform with the possibility of moving perpendicularly to the direction of propagation of the measured radiation and setting the receiving photodiode on the path of radiation propagation or outside it for the passage of radiation to the optical-electrical measuring transducer.

Корисна модель ілюструється кресленням, на якому зображено конструкцію радіометра зі схемою калібрування за допомогою стабілізованих лазерів. На кресленні позначено: 1 - вакуумна камера; 2 - вікно для вводу випромінювання; З - оптико-електричний вимірювальний перетворювач; 4 - система автоматичного заміщення і обробки інформації; 5 - кріогенна система охолодження і стабілізації температури; 6 - трап-детектор, що розміщується усередині вакуумної камери; 7 - рухома платформа; 8 - стабілізований лазер; 9 - поворотне дзеркало; 10 - трап-детектор, що розміщується назовні вакуумної камери.A useful model is illustrated by a drawing showing the construction of a radiometer with a calibration scheme using stabilized lasers. The drawing shows: 1 - vacuum chamber; 2 - a window for entering radiation; C - optical-electric measuring converter; 4 - system of automatic replacement and processing of information; 5 - cryogenic cooling and temperature stabilization system; 6 - trap detector placed inside the vacuum chamber; 7 - moving platform; 8 - stabilized laser; 9 - rotating mirror; 10 - trap detector placed outside the vacuum chamber.

Радіометр складається з вакуумної камери 1, яка містить вікно 2 для вводу випромінювання в корпус радіометра і спрямування його на оптико-електричний вимірювальний перетворювач 3.The radiometer consists of a vacuum chamber 1, which contains a window 2 for entering radiation into the radiometer body and directing it to the optical-electrical measuring transducer 3.

Вікно встановлюється під кутом Брюстера (577) для зменшення похибки вимірювання, пов'язаної з ним. До складу радіометра входять система автоматичного заміщення і обробки інформації 4 і кріогенна система охолодження і стабілізації температури 5, яка складається з резервуара з рідким азотом і резервуара з рідким гелієм. При вимірюванні випромінювання від стабілізованого лазера 8 після відбиття від поворотного дзеркала 9 спрямовується через вікно 2 бо до оптико-електричного вимірювального перетворювача 3. Для калібрування вторинних приймачів використовують Не-Ме, криптонові і аргонові лазери, які забезпечують передачу одиниці оптичної потужності на декількох довжинах хвиль в видимій та ближній інфрачервоній областях спектру.The window is set at the Brewster angle (577) to reduce the measurement error associated with it. The radiometer includes a system of automatic substitution and information processing 4 and a cryogenic cooling and temperature stabilization system 5, which consists of a tank with liquid nitrogen and a tank with liquid helium. When measuring the radiation from the stabilized laser 8, after reflection from the rotating mirror 9, it is directed through the window 2 to the optical-electrical measuring converter 3. To calibrate the secondary receivers, He-Me, krypton, and argon lasers are used, which provide the transmission of a unit of optical power at several wavelengths in the visible and near-infrared regions of the spectrum.

Згідно з корисною моделлю для вимірювання коефіцієнта пропускання вікна, що дає змогу підвищити точність вимірювань, всередині вакуумної камери 1 розміщується трап-детектор 6.According to a useful model for measuring the transmittance of the window, which makes it possible to increase the accuracy of the measurements, a trap detector 6 is placed inside the vacuum chamber 1.

Він складається з трьох фотодіодів (ФД 1, ФД 2, ФД 3). Один з фотодіодів, а саме той, на який спершу потрапляє вимірюване випромінювання (ФД 1), розташовується на рухомій платформі 7, яка може переміщуватись перпендикулярно напрямку поширення вимірюваного випромінювання з можливістю установки приймального фотодіода або на шляху поширення випромінювання, або поза ним для проходження випромінювання на оптико-електричний вимірювальний перетворювач 3. Трап-детектор 10 при вимірюваннях встановлюється назовні кріогенного радіометра.It consists of three photodiodes (FD 1, FD 2, FD 3). One of the photodiodes, namely the one on which the measured radiation first falls (FD 1), is located on a movable platform 7, which can move perpendicularly to the direction of propagation of the measured radiation with the possibility of installing a receiving photodiode either in the path of propagation of radiation or outside it for the passage of radiation to the optical-electric measuring converter 3. The trap detector 10 during measurements is installed outside the cryogenic radiometer.

Кріогенний радіометр працює у такий спосіб. Після підготовки радіометра до вимірювань (включення, вакуумування, охолодження), включають стабілізований лазер 8, спрямовуючи випромінювання після відбиття від дзеркала 9 на оптико-електричний вимірювальний перетворювач 3. На шляху випромінювання від лазера встановлюють трап-детектор 10 і вимірюють потужність випромінювання лазера. Після цього трап-детектор 10 прибирають, щоб випромінювання від лазера через вікно 2 проходило в радіометр. В трап-детекторі 6 переміщують прийомний фотодіод (ФД 1) на рухомій платформі 7 таким чином, щоб випромінювання лазера потрапляло на нього і вимірюють потужність випромінювання всередині вакуумної камери 1. Маючи результати вимірювання потужності випромінювання перед вікном 2 і за ним можна відомими методами вирахувати коефіцієнт пропускання вікна і врахувати в результатах вимірювання кріогенного радіометра. Це дозволяє відмовитися від складного регульованого компонування з брюстерівським вікном, замінивши його звичайним склом. В підсумку це дозволяє підвищити точність вимірювань, що і було задачею удосконалення конструкції кріогенного радіометра. Після цього приймальний фотодіод (ФД 1) на рухомій платформі 7 переміщують таким чином, щоб випромінювання лазера потрапляло на оптико- електричний вимірювальний перетворювач 3, і проводять вимірювання по відомій технології.The cryogenic radiometer works in the following way. After preparing the radiometer for measurements (turning on, vacuuming, cooling), turn on the stabilized laser 8, directing the radiation after reflection from the mirror 9 to the optical-electrical measuring converter 3. A trap detector 10 is installed in the path of radiation from the laser and the laser radiation power is measured. After that, the trap detector 10 is removed so that the radiation from the laser passes through the window 2 into the radiometer. In the trap detector 6, the receiving photodiode (FD 1) is moved on the moving platform 7 in such a way that the laser radiation falls on it and the radiation power inside the vacuum chamber 1 is measured. Having the results of measuring the radiation power in front of the window 2 and behind it, the coefficient can be calculated using known methods transmission of the window and take into account the measurement results of the cryogenic radiometer. This allows you to abandon the complex adjustable layout with a Brewster window, replacing it with ordinary glass. As a result, it allows to increase the accuracy of measurements, which was the task of improving the design of the cryogenic radiometer. After that, the receiving photodiode (FD 1) on the moving platform 7 is moved in such a way that the laser radiation falls on the optical-electrical measuring converter 3, and measurements are carried out according to known technology.

Таким чином, запропонована конструкція кріогенного радіометра дозволяє врахуватиThus, the proposed design of the cryogenic radiometer allows taking into account

Зо похибки в вимірюваннях, викликані проходженням випромінювання через вікно в вакуумній камері, і підвищити точність вимірювань. Розроблена конструкція кріогенного радіометра призначена для прецизійних вимірювань фотометричних, радіометричних (та спектрорадіометричних характеристик джерел і приймачів випромінювань, що має найбільший попит в таких напрямках застосування, як розвиток космічної техніки, отримання метеоінформації, розробка нових енергозберігаючих джерел освітлення, нових матеріалів і багато іншого.From errors in measurements caused by the passage of radiation through the window in the vacuum chamber, and to increase the accuracy of measurements. The developed design of the cryogenic radiometer is intended for precise measurements of photometric, radiometric (and spectroradiometric) characteristics of sources and receivers of radiation, which has the greatest demand in such areas of application as the development of space technology, obtaining weather information, the development of new energy-saving lighting sources, new materials, and much more.

Джерела інформації: 1. Голобородько В.Т., Грицай В.В., Гур'єв М.В., Ципко Н.К. Пленочньй радиометр с злектрическим замещением для фотометрических измерений //Измерительная техника. - 1997. - Мо 5. - С. 18-21. 2. Основьі оптической радиометрии: Иванов В.Сб., Золотаревский Ю.М., Котюк А.Фф.,Sources of information: 1. Holoborodko V.T., Hrytsai V.V., Guriev M.V., Tsypko N.K. A film radiometer with electrical substitution for photometric measurements //Measurement technique. - 1997. - Mo. 5. - P. 18-21. 2. Basics of optical radiometry: Ivanov V.Sb., Zolotarevsky Yu.M., Kotyuk A.Ff.,

Либерман А.А. Под ред. проф. Котюка А.Ф. Издательство: Физматлит І5ВМ 978-5-9221-0427-6; 2003 г. Кол-во страниц: 544.Lieberman A.A. Ed. Prof. Kotyuka A.F. Publisher: Fizmatlit I5VM 978-5-9221-0427-6; 2003. Number of pages: 544.

Claims

USEFUL MODEL FORMULA A cryogenic radiometer containing a vacuum chamber with a window through which the measured radiation enters the optical-electric measuring converter, a system of automatic substitution and processing of information and a cryogenic system of cooling and temperature stabilization, which differs in that in the vacuum chamber before the optical the electrical measuring transducer is equipped with a trap-detector, the receiving photodiode of which is placed on a moving platform with the possibility of moving perpendicularly to the direction of propagation of the measured radiation and setting the receiving photodiode on the path of radiation propagation or outside it for the passage of radiation to the optical-electrical measuring transducer.