Малогабаритный пироприемник для измерения энергии излучения импульсных плазменных источников света в вакуумном ультрафиолете
УДК 543.42, 533.907
МАЛОГАБАРИТНЫЙ ПИРОПРИЕМНИК ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ЭНЕРГИИ ИЗЛУЧЕНИЯ ИМПУЛЬСНЫХ ПЛАЗМЕННЫХ ИСТОЧНИКОВ СВЕТА В ВАКУУМНОМ УЛЬТРАФИОЛЕТЕ
© 2012 г. А. Г. Бедрин*, канд. физ.-мат. наук; Г. Г. Ворыпаев**, канд. физ.-мат. наук; Е. М. Голубев**; А. Н. Жилин*
** Научно-исследовательский институт комплексных испытаний оптико-электронных приборов ** и систем, г. Сосновый Бор, Ленинградская обл.
** НПК “Государственный оптический институт им. С.И. Вавилова”, Санкт-Петербург
** E-mail: vorypaev@bk.ru
Разработан малогабаритный помехоустойчивый пироэлектрический калориметр со спектральной селекцией излучения, осуществляемой фильтрами из кварца и инертных газов. Калориметр предназначен как для измерения спектрально-энергетических характеристик мощных импульсных плазменных излучателей, так и для измерения облученности поверхности испытываемых предметов в телесном угле 2 стерадиан. Проведена энергетическая калибровка калориметра. Полученные результаты подтверждены термопарными измерениями.
Ключевые слова: вакуумный ультрафиолет, пироэлектрик, пироприемник, калориметр.
Коды OСIS: 220.6080, 260.7210, 350.5400
Поступила в редакцию 04.04.2012
Введение
Излучение плотной плазмы является основным каналом преобразования вводимой в разряд джоулевой энергии. Мощные импульсные плазменные излучатели используются в научно-технических задачах для определения световой стойкости материалов и изделий. Как известно, основная доля энергии теплового излучения плазмы с температурой более 20 кК приходится на вакуумную ультрафиолетовую (ВУФ) область спектра, в том числе и за границей пропускания окон из MgF2 (115 нм). Спектрально-энергетические характеристики ВУФ излучения позволяют судить об основных параметрах плазмы (температуре, давлении, компонентном составе и т. д.), а также являются технологическими параметрами в прикладных задачах (плазменная обработка поверхностей, резка, нанесение покрытий, фототравление, фотолитография, обеззараживание и обезвреживание опасных веществ).
Измерение основных параметров ВУФ излучения мощного плазменного открытого источника, как правило, связано с необходимостью
преодоления мешающего влияния паразитных связей и наводок на электронное оборудование, причем требуются особые меры безопасности от сильноточных электрических пробоев. Следует упомянуть об удачном опыте измерения энергии излучения открытого импульсного разряда в ВУФ области спектра, выполненного в ГОИ А.М. Пуховым [1]. При этом инертный газ атмосферного давления играл роль прозрачного изолятора, предохраняющего измерительные цепи от воздействия высокого потенциала плазмы (напряжение электрического пробоя в аргоне – 6 кВ/см).
Другой подход реализован при исследовании ВУФ излучения сильноточного разряда низкого давления в водороде в конфигурации магнитных полей, токов и разрядного промежутка, соответствующих задачам термоядерного синтеза с магнитным удержанием плазмы [2, 3]. В этих работах указано, что промышленно выпускаемые пироэлектрические приемники не подходят для измерения ВУФ излучения, если они размещаются непосредственно в вакуумированном объеме. Опытным путем была установлена необходимость тщательной изоля-
“Оптический журнал”, 79, 8, 2012
39
ции сигнального электрода и соединения приемной площадки пироприемника с внутренним экраном измерительной цепи. Высокий вакуум и магнитное удержание плазмы в центре объема снижают вероятность газового пробоя у стенки, изолируя плазму от стенки камеры и пироэлектрика и тем самым упрощая измерения. В результате оказалось возможным, не используя электрических развязок, подключать регистрирующую аппаратуру через операционный усилитель к коллимированному пироприемнику, освещаемому через небольшое отверстие плазмой разряда. При неколлимированном освещении такая схема измерений становилась неработоспособной из-за больших наводок. Выход был найден в использовании токового трансформатора, через который продевался один из выходных проводов операционного усилителя. Этим обеспечивалась электрическая развязка регистрирующей аппаратуры от корпуса пироприемника, находящегося под плавающим потенциалом. В то же время имеются общие положения, выработанные для повышения помехозащищенности измерений в подобных условиях [4]. В соответствии с ними схема измерительного канала должна включать в себя экранированный от сопутствующих импульсных электрических и магнитных полей измерительный пироэлектрический преобразователь, помехозащищенную (экранирован-
ную) линию связи и экранированный приборный отсек с автономным источником питания (аккумуляторной батареей). Реализация этих мер позволила авторам статьи провести пироэлектрические измерения энергии излучения капиллярного разряда в областях пропускания кристаллических и газовых фильтров [5], а само измерительное устройство было защищено патентом [6].
Эксперимент и обсуждение результатов
Излучателем служил капиллярный разряд с испаряемой стенкой (КРИС), который в короткоимпульсном варианте является калибровочным источником ВУФ излучения [7]. Он располагался (рис. 1) в вакуумной камере, снабженной электродами 2, которые отделены один от другого диафрагмой. Укрепленный в ее центре капилляр 3 из полиформальдегида (CH2O)n с отверстием диаметром 3,5 мм и длиной 30 мм является рабочим разрядным промежутком. Электроды камеры подключаются к LC линии 1, которая создает в капилляре одиночный трапециевидный импульс тока силой 10 кА и длительностью 6 мкс. При этом в капилляре образуется плотная плазма при давлении в сотни атмосфер, химический состав которой соответствует составу стенки. Вводи-
3 2
4 5
6 78 9
10
1
11 12 13 14
Рис. 1. Схема калибровки пироприемника: 1 – блок питания источника излучения, 2 – электроды, 3 – капилляр, 4 – коллимирующая диафрагма, 5 – патрубок напуска инертного газа, 6 – кварцевый фильтр, 7 – пироэлемент, 8 – изоляция, 9 – корпус пироприемника, 10 – патрубок дифференциальной откачки, 11 – экранированный бокс, 12 – компьютерный осциллограф PCSU-1000, 13 – ноутбук в режиме автономного питания, 14 – защищенная линия связи.
40 “Оптический журнал”, 79, 8, 2012
мая в разряд мощность отводится плазменными струями, истекающими из открытых торцов со скоростью 10 км/с. Показано, что если осевое расстояние от торца до элементов конструкции более 15 см, то за счет резкого падения плотности свободно расширяющаяся струя не экранирует ВУФ излучения плазмы капилляра. Его торец в окрестности максимума тока излучает как абсолютно черное тело (АЧТ) с температурой (37 000 ± 2000) K в области спектра от 120 до 600 нм и с ресурсом 200 импульсов без замены капилляра. Яркость равномерно светящейся зоны торца капилляра диаметром 3 мм в спектральной области пропускания кварца составляет 0,76106 Вт/см2 ср [7].
Необходимый для энергетической калибровки приемника коллимированный пучок света формируется при прохождении его от калибровочного источника к приемнику излучения через малое отверстие в диафрагме (рис. 2). Из соображений геометрической оптики необходимым условием равномерности освещения приемника является соотношение
L/(r – a) £ M/(R+a),
(1)
где L и M – расстояния от диафрагмы до источника и приемника; а, r и R соответственно радиусы диафрагмирующего отверстия, равномерно светящейся зоны калибровочного источника света и освещенной поверхности приемника излучения.
Для измерения параметров излучения используются фотоприемники на различных физических принципах [8]. Для импульсных излучателей пироэлектрические приемники являются наиболее удобными из-за их неселективности, высокого временного разрешения и большого динамического диапазона.
R ar
ML
Рис. 2. Схема освещения пироприемника: R – пироприемник и его радиус, a – диафрагма и ее радиус, r – торец капилляра калибровочного источника света и радиус его равномерно светящейся зоны, L и M – соответственно расстояния от диафрагмы до капилляра и до приемника.
По сути, пироприемник является электрическим конденсатором [9] с исходно поляризованным диэлектриком между металлизированными поверхностями – обкладками. Принцип его действия основан на свойстве диэлектрика поляризоваться не только под действием напряженности электрического поля E, но и при изменении температуры Т. Индукция поля в нем равна D = E + pT, где и p – диэлектрическая проницаемость и пироэлектрический коэффициент соответственно. Если в измерительной цепи отсутствуют источники потенциала, создающие внешние заряды на обкладках пироконденсатора, индукция поля отсутствует и тогда – E/p = T.
Энергия излучения (Q), поглощенная пироэлектриком, идет на его нагрев и пропорциональна напряжению (U) между его обкладками
Q = qdt = cТdx = kU,
(2)
где и с – плотность и удельная теплоемкость пироэлектрика (k = p/с – коэффициент чувствительности).
Наличие спонтанно поляризованного состояния для пироэлектрика, находящегося при постоянной температуре, внешне никак не проявляется, так как связанные заряды поляризации нейтрализуются свободными зарядами проводимости диэлектрика и внешней среды. Поэтому пироприемник реагирует только на достаточно быстрое изменение собственной температуры. Для такого широко распространенного пироэлектрика, как керамика на основе твердого раствора цирконата-титаната свинца ЦТС-23, значение коэффициента чувствительности k = 0,0135 Дж/В см2 [9].
Большая величина диэлектрической проницаемости (1400) керамики позволяет создать малоразмерный емкостной приемник, электрический сигнал которого не нуждается в предварительной обработке и регистрируется непосредственно стандартным осциллографом. Материалом для пироприемника служит диск из пьезокерамики толщиной 0,3 мм и диаметром около 20 мм с медным покрытием на торцах. Из керамики вырезалась шайба диаметром 2,5 мм, которая в качестве пироэлемента 7 (рис. 1) припаивалась к центральной жиле коаксиального кабеля. Герметизация эпоксидной изоляцией 8 сигнальной части пироэлектрика и наличие внутреннего и внешнего экранов, соединенных вблизи пироэлектрика, – необходимое условие возможности использования датчика при измерении интенсивности ВУФ
“Оптический журнал”, 79, 8, 2012
41
открытых разрядов [5]. Подключение проводящего покрытия поверхности приемника к корпусу трубки 9 осуществлялось путем завальцовки выступающего края трубки к приемной поверхности до электрического контакта. Для исключения возможности попадания фотоэлектронов с поверхности в глубь пироэлектрика 5 производилось гальваническое наращивание толщины торцевого покрытия.
Пироприемник калибровали на установке (рис. 1) излучением источника СП-171, прошедшим через кварцевый фильтр 8 при удовлетворяющих соотношению (1) расстояниях M = 85 мм до диафрагмы, диаметром 1 мм и L = 50 мм до торца капилляра. Расстояние L значительно меньше рекомендованных разработчикам 15 см [7]. Это обстоятельство приводит к уменьшению яркости источника в ВУФ области короче 140 нм за счет экранировки излучения в сжатом слое перед диафрагмой, но не влияет на яркость источника в области прозрачности кварца. Так же как и в [7] роль коллимирующей диафрагмы 4 выполняют два соосных газовых сопла, диаметром 1 мм каждое. Они служат для создания стационарно поддерживаемого перепада давления инертного газа между камерой поглощения с пироприемником 9 (500 Па) и отдельно откачиваемой камерой источника излучения (10 Па). Подача газа происходит по патрубку 5, а его откачка из зоны между отверстиями – по патрубку 10.
Исходя из геометрии освещения, рассчитана облученность поверхности приемника q = = Ia2/M2 = 82 Вт/см2, значение которой необходимо для определения коэффициента чувствительности приемника.
На рис. 3 представлены осциллограммы тока разряда (1) и сигнала пироприемника (2) при регистрации энергии излучения источника СП-171 в спектральной области пропускания кварцевого фильтра, а на рис. 4 – осциллограммы излучения, зарегистрированные с использованием газовых фильтров. В соответствии со свойствами капиллярного разряда у всех осциллограмм совпадает время нарастания сигнала и длительность импульса тока (10 мкс) и монотонно возрастает сигнал с увеличением потенциала ионизации инертного газа (Xe, Kr, Ar, Ne), используемого в качестве фильтра. Тангенс угла наклона осциллограммы (скорость нарастания сигнала) пропорционален облученности поверхности приемника в соответствии с формулой (2) и, следовательно, яр-
4
t, мкс
–5
0 0
5 10 15
–4
–8
I, кА –12
1 U, мВ
2
Рис. 3. Осциллограммы тока разряда источника СП-171 (1) и его энергии излучения в спектральной области пропускания кварца (2).
10 U, мВ
–10
0 0
t, мкс
10 20 30 40 50
–10
–20
–30
6
–40
1
2 3 4 5
Рис. 4. Пироэлектрические осциллограммы
энергии излучения источника СП-171 в обла-
сти спектра пропускания фильтров: 1 – SiO2, 2 – Xe, 3 – Kr, 4 – Ar, 5 – Ne, 6 – He.
Таблица 1. Относительные скорости нарастания пироэлектрического сигнала излучения источника СП-171, прошедшего через фильтры SiO2, Xe, Kr, Ar, Ne, He (dU/dt) и рассчитанные доли интенсивности излучения АЧТ при Т = 37 000 К в тех же спектральных областях (). За единицу приняты соответствующие значения в спектральной области пропускания кварца
Фильтр SiO2 Xe Kr Ar Ne He Вакуум
(нм) 170 102 89 78 57 50 dU/dt 1 1,70 1,77 1,85 2,06 2,01
1 2,37 2,82 3,14 3,84 4,00
— — 4,20
кости источника. В табл. 1 приведены относительные скорости нарастания пиросигнала от излучения источника света СП-171, прошедшего через фильтры SiO2, Xe, Kr, Ar, Ne, He и вакуум и для сравнения доли относительной
42 “Оптический журнал”, 79, 8, 2012
Таблица 2. Измеренные значения яркостной температуры излучения источника СП-171 в соответствующих спектральных областях
SiO2, 170 нм SiO2–Xe, 170–102 нм Хе–Kr, 102–89 нм Kr–Ar, 89–78 нм Ar–Nе, 78–57 нм
37 000 K [10]
30 500 K
25 700 K
32 500 K
30 500 K
интенсивности излучения АЧТ при Т = 37 кК в тех же спектральных областях. За единицу принята яркость источника света СП-171 в области пропускания кварцевого фильтра. Из
I, МА 0,8 U, В
0,6
2
сравнения данных, приведенных в таблице, следует, что интенсивность излучения источ-
0,4
ника СП-171 в более коротковолновой обла-
0,2
сти спектра меньше интенсивности излучения АЧТ при Т = 37 кК. В табл. 2 представлены рассчитанные по данным табл. 1 значения яркостной температуры излучения источника СП-171
1
0 –25 0
25 50 75 100 125 150
–0,2 t, мкс
в областях пропускания кварцевого и газовых фильтров. По нашему мнению, снижение яркостной температуры связано с поглощением излучения в скачке уплотнения плазменной струи перед диафрагмой.
Рис. 5. Осциллограммы: 1 – тока источника излучения на основе МПК, 2 – облученности пироприемника, размещенного вне вакуумной камеры излучателя.
По осциллограмме излучения источни-
ка СП-171 в области пропускания кварцевого
фильтра (pис. 3) был определен коэффициент пирочувствительности k = 0,046 Дж/В см2.
Он вычислялся как частное от деления расчетного значения облученности (82 Вт/см2)
рения энергии излучения также подтвердили правильность калибровки пироэлектрического
на среднюю скорость изменения напряжения калориметра и его высокую помехозащищен-
сигнала (1780 В/с). Знание коэффициента не- ность.
обходимо для абсолютных измерений освещен-
ности поверхности. Для независимой проверки этого результата было проведено сравнение
Заключение
сигналов, полученных с использованием пиро-
В результате проделанной работы создан
электрического и термопарного калориметров малогабаритный помехоустойчивый пироэлек-
в одинаковых условиях. Использовался пред- трический калориметр со спектральной селек-
варительно откалиброванный термопарный цией излучения, осуществляемой фильтрами
калориметр ИМО-2. Проверка подтвердила из кварца и инертных газов. Проведена его
достоверность результатов в пределах точности энергетическая калибровка. В качестве эталон-
измерений.
ного ВУФ излучателя использовался коротко-
На базе НИИКИ ОЭП созданный пирока- импульсный вариант капиллярного разряда
лориметр был опробирован на мощной стен- с испаряемой стенкой. Полученные результа-
довой установке для измерения облученно- ты подтверждены термопарными измерениями
сти поверхности источником света на основе с использованием предварительно откалибро-
сильноточного магнитоплазменного компрес- ванного калориметра ИМО-2. Разработанное
сора (МПК). На рис. 5 представлены осцил- устройство предназначено как для измерения
лограммы разрядного тока МПК и пироэлек- спектрально-энергетических характеристик
трических измерений его энергии излучения мощных импульсных плазменных излучате-
в спектральной области пропускания кварце- лей, так и для измерения облученности поверх-
вого стекла. Очевидна корреляция обеих ос- ности испытываемых предметов в телесном
цилограмм. Контрольные термопарные изме- угле 2 стерадиан.
*****
“Оптический журнал”, 79, 8, 2012
43
ЛИТЕРАТУРА
1. Баюнов В.И., Пухов А.М. Применение пироэлектрического приемника для определения энергии излучения импульсного открытого разряда в ВУФ области спектра // ЖПС. 1990. Т. 52. № 1. С. 151–153.
2. Côté C., Desilva A.W. Fast pyroelectric detector for broadband radiated power measurements. Rev. Sci. Instrum // 1996. V. 67. P. 4146–4149.
3. Côté C. Power Balance and Characterization of Impurities in the Maryland Spheromak // Dissertation. University of Maryland. 1993. 132 p.
4. Панин В.В., Степанов Б.М. Измерение импульсных магнитных и электрических полей. М.: Энергоатомиздат, 1987. 120 c.
5. Бедрин А.Г., Ворыпаев Г.Г., Голубев Е.М. Помехозащищенный пироэлектрический калориметр для спектро-энергетических измерений в вакуумном ультрафиолете // Оптический журнал. 2009. Т. 76. № 9. С. 64–67.
6. Бедрин А.Г., Ворыпаев Г.Г., Голубев Е.М., Жилин А.Н., Левина О.В. Устройство для измерения амплитудно-временных характеристик импульсных сигналов // Патент России. № 95852. 2010.
7. Подмошенский И.В., Пухов А.М., Яковлева А.В. Импульсный источник сплошного спектра, калиброванный по яркости в вакуумном ультрафиолете // ЖПС. 1972. Т. 16. № 3. С. 415–421.
8. Ишанин Г.Г. Приемники излучения оптических и оптико-электронных приборов. Л.: Машиностроение, 1986. 175 с.
9. Новик В.К., Гаврилова Н.Д., Фельдман Н.Б. Пироэлектрические преобразователи. М.: Сов. радио, 1979. 176 с.
44 “Оптический журнал”, 79, 8, 2012
МАЛОГАБАРИТНЫЙ ПИРОПРИЕМНИК ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ЭНЕРГИИ ИЗЛУЧЕНИЯ ИМПУЛЬСНЫХ ПЛАЗМЕННЫХ ИСТОЧНИКОВ СВЕТА В ВАКУУМНОМ УЛЬТРАФИОЛЕТЕ
© 2012 г. А. Г. Бедрин*, канд. физ.-мат. наук; Г. Г. Ворыпаев**, канд. физ.-мат. наук; Е. М. Голубев**; А. Н. Жилин*
** Научно-исследовательский институт комплексных испытаний оптико-электронных приборов ** и систем, г. Сосновый Бор, Ленинградская обл.
** НПК “Государственный оптический институт им. С.И. Вавилова”, Санкт-Петербург
** E-mail: vorypaev@bk.ru
Разработан малогабаритный помехоустойчивый пироэлектрический калориметр со спектральной селекцией излучения, осуществляемой фильтрами из кварца и инертных газов. Калориметр предназначен как для измерения спектрально-энергетических характеристик мощных импульсных плазменных излучателей, так и для измерения облученности поверхности испытываемых предметов в телесном угле 2 стерадиан. Проведена энергетическая калибровка калориметра. Полученные результаты подтверждены термопарными измерениями.
Ключевые слова: вакуумный ультрафиолет, пироэлектрик, пироприемник, калориметр.
Коды OСIS: 220.6080, 260.7210, 350.5400
Поступила в редакцию 04.04.2012
Введение
Излучение плотной плазмы является основным каналом преобразования вводимой в разряд джоулевой энергии. Мощные импульсные плазменные излучатели используются в научно-технических задачах для определения световой стойкости материалов и изделий. Как известно, основная доля энергии теплового излучения плазмы с температурой более 20 кК приходится на вакуумную ультрафиолетовую (ВУФ) область спектра, в том числе и за границей пропускания окон из MgF2 (115 нм). Спектрально-энергетические характеристики ВУФ излучения позволяют судить об основных параметрах плазмы (температуре, давлении, компонентном составе и т. д.), а также являются технологическими параметрами в прикладных задачах (плазменная обработка поверхностей, резка, нанесение покрытий, фототравление, фотолитография, обеззараживание и обезвреживание опасных веществ).
Измерение основных параметров ВУФ излучения мощного плазменного открытого источника, как правило, связано с необходимостью
преодоления мешающего влияния паразитных связей и наводок на электронное оборудование, причем требуются особые меры безопасности от сильноточных электрических пробоев. Следует упомянуть об удачном опыте измерения энергии излучения открытого импульсного разряда в ВУФ области спектра, выполненного в ГОИ А.М. Пуховым [1]. При этом инертный газ атмосферного давления играл роль прозрачного изолятора, предохраняющего измерительные цепи от воздействия высокого потенциала плазмы (напряжение электрического пробоя в аргоне – 6 кВ/см).
Другой подход реализован при исследовании ВУФ излучения сильноточного разряда низкого давления в водороде в конфигурации магнитных полей, токов и разрядного промежутка, соответствующих задачам термоядерного синтеза с магнитным удержанием плазмы [2, 3]. В этих работах указано, что промышленно выпускаемые пироэлектрические приемники не подходят для измерения ВУФ излучения, если они размещаются непосредственно в вакуумированном объеме. Опытным путем была установлена необходимость тщательной изоля-
“Оптический журнал”, 79, 8, 2012
39
ции сигнального электрода и соединения приемной площадки пироприемника с внутренним экраном измерительной цепи. Высокий вакуум и магнитное удержание плазмы в центре объема снижают вероятность газового пробоя у стенки, изолируя плазму от стенки камеры и пироэлектрика и тем самым упрощая измерения. В результате оказалось возможным, не используя электрических развязок, подключать регистрирующую аппаратуру через операционный усилитель к коллимированному пироприемнику, освещаемому через небольшое отверстие плазмой разряда. При неколлимированном освещении такая схема измерений становилась неработоспособной из-за больших наводок. Выход был найден в использовании токового трансформатора, через который продевался один из выходных проводов операционного усилителя. Этим обеспечивалась электрическая развязка регистрирующей аппаратуры от корпуса пироприемника, находящегося под плавающим потенциалом. В то же время имеются общие положения, выработанные для повышения помехозащищенности измерений в подобных условиях [4]. В соответствии с ними схема измерительного канала должна включать в себя экранированный от сопутствующих импульсных электрических и магнитных полей измерительный пироэлектрический преобразователь, помехозащищенную (экранирован-
ную) линию связи и экранированный приборный отсек с автономным источником питания (аккумуляторной батареей). Реализация этих мер позволила авторам статьи провести пироэлектрические измерения энергии излучения капиллярного разряда в областях пропускания кристаллических и газовых фильтров [5], а само измерительное устройство было защищено патентом [6].
Эксперимент и обсуждение результатов
Излучателем служил капиллярный разряд с испаряемой стенкой (КРИС), который в короткоимпульсном варианте является калибровочным источником ВУФ излучения [7]. Он располагался (рис. 1) в вакуумной камере, снабженной электродами 2, которые отделены один от другого диафрагмой. Укрепленный в ее центре капилляр 3 из полиформальдегида (CH2O)n с отверстием диаметром 3,5 мм и длиной 30 мм является рабочим разрядным промежутком. Электроды камеры подключаются к LC линии 1, которая создает в капилляре одиночный трапециевидный импульс тока силой 10 кА и длительностью 6 мкс. При этом в капилляре образуется плотная плазма при давлении в сотни атмосфер, химический состав которой соответствует составу стенки. Вводи-
3 2
4 5
6 78 9
10
1
11 12 13 14
Рис. 1. Схема калибровки пироприемника: 1 – блок питания источника излучения, 2 – электроды, 3 – капилляр, 4 – коллимирующая диафрагма, 5 – патрубок напуска инертного газа, 6 – кварцевый фильтр, 7 – пироэлемент, 8 – изоляция, 9 – корпус пироприемника, 10 – патрубок дифференциальной откачки, 11 – экранированный бокс, 12 – компьютерный осциллограф PCSU-1000, 13 – ноутбук в режиме автономного питания, 14 – защищенная линия связи.
40 “Оптический журнал”, 79, 8, 2012
мая в разряд мощность отводится плазменными струями, истекающими из открытых торцов со скоростью 10 км/с. Показано, что если осевое расстояние от торца до элементов конструкции более 15 см, то за счет резкого падения плотности свободно расширяющаяся струя не экранирует ВУФ излучения плазмы капилляра. Его торец в окрестности максимума тока излучает как абсолютно черное тело (АЧТ) с температурой (37 000 ± 2000) K в области спектра от 120 до 600 нм и с ресурсом 200 импульсов без замены капилляра. Яркость равномерно светящейся зоны торца капилляра диаметром 3 мм в спектральной области пропускания кварца составляет 0,76106 Вт/см2 ср [7].
Необходимый для энергетической калибровки приемника коллимированный пучок света формируется при прохождении его от калибровочного источника к приемнику излучения через малое отверстие в диафрагме (рис. 2). Из соображений геометрической оптики необходимым условием равномерности освещения приемника является соотношение
L/(r – a) £ M/(R+a),
(1)
где L и M – расстояния от диафрагмы до источника и приемника; а, r и R соответственно радиусы диафрагмирующего отверстия, равномерно светящейся зоны калибровочного источника света и освещенной поверхности приемника излучения.
Для измерения параметров излучения используются фотоприемники на различных физических принципах [8]. Для импульсных излучателей пироэлектрические приемники являются наиболее удобными из-за их неселективности, высокого временного разрешения и большого динамического диапазона.
R ar
ML
Рис. 2. Схема освещения пироприемника: R – пироприемник и его радиус, a – диафрагма и ее радиус, r – торец капилляра калибровочного источника света и радиус его равномерно светящейся зоны, L и M – соответственно расстояния от диафрагмы до капилляра и до приемника.
По сути, пироприемник является электрическим конденсатором [9] с исходно поляризованным диэлектриком между металлизированными поверхностями – обкладками. Принцип его действия основан на свойстве диэлектрика поляризоваться не только под действием напряженности электрического поля E, но и при изменении температуры Т. Индукция поля в нем равна D = E + pT, где и p – диэлектрическая проницаемость и пироэлектрический коэффициент соответственно. Если в измерительной цепи отсутствуют источники потенциала, создающие внешние заряды на обкладках пироконденсатора, индукция поля отсутствует и тогда – E/p = T.
Энергия излучения (Q), поглощенная пироэлектриком, идет на его нагрев и пропорциональна напряжению (U) между его обкладками
Q = qdt = cТdx = kU,
(2)
где и с – плотность и удельная теплоемкость пироэлектрика (k = p/с – коэффициент чувствительности).
Наличие спонтанно поляризованного состояния для пироэлектрика, находящегося при постоянной температуре, внешне никак не проявляется, так как связанные заряды поляризации нейтрализуются свободными зарядами проводимости диэлектрика и внешней среды. Поэтому пироприемник реагирует только на достаточно быстрое изменение собственной температуры. Для такого широко распространенного пироэлектрика, как керамика на основе твердого раствора цирконата-титаната свинца ЦТС-23, значение коэффициента чувствительности k = 0,0135 Дж/В см2 [9].
Большая величина диэлектрической проницаемости (1400) керамики позволяет создать малоразмерный емкостной приемник, электрический сигнал которого не нуждается в предварительной обработке и регистрируется непосредственно стандартным осциллографом. Материалом для пироприемника служит диск из пьезокерамики толщиной 0,3 мм и диаметром около 20 мм с медным покрытием на торцах. Из керамики вырезалась шайба диаметром 2,5 мм, которая в качестве пироэлемента 7 (рис. 1) припаивалась к центральной жиле коаксиального кабеля. Герметизация эпоксидной изоляцией 8 сигнальной части пироэлектрика и наличие внутреннего и внешнего экранов, соединенных вблизи пироэлектрика, – необходимое условие возможности использования датчика при измерении интенсивности ВУФ
“Оптический журнал”, 79, 8, 2012
41
открытых разрядов [5]. Подключение проводящего покрытия поверхности приемника к корпусу трубки 9 осуществлялось путем завальцовки выступающего края трубки к приемной поверхности до электрического контакта. Для исключения возможности попадания фотоэлектронов с поверхности в глубь пироэлектрика 5 производилось гальваническое наращивание толщины торцевого покрытия.
Пироприемник калибровали на установке (рис. 1) излучением источника СП-171, прошедшим через кварцевый фильтр 8 при удовлетворяющих соотношению (1) расстояниях M = 85 мм до диафрагмы, диаметром 1 мм и L = 50 мм до торца капилляра. Расстояние L значительно меньше рекомендованных разработчикам 15 см [7]. Это обстоятельство приводит к уменьшению яркости источника в ВУФ области короче 140 нм за счет экранировки излучения в сжатом слое перед диафрагмой, но не влияет на яркость источника в области прозрачности кварца. Так же как и в [7] роль коллимирующей диафрагмы 4 выполняют два соосных газовых сопла, диаметром 1 мм каждое. Они служат для создания стационарно поддерживаемого перепада давления инертного газа между камерой поглощения с пироприемником 9 (500 Па) и отдельно откачиваемой камерой источника излучения (10 Па). Подача газа происходит по патрубку 5, а его откачка из зоны между отверстиями – по патрубку 10.
Исходя из геометрии освещения, рассчитана облученность поверхности приемника q = = Ia2/M2 = 82 Вт/см2, значение которой необходимо для определения коэффициента чувствительности приемника.
На рис. 3 представлены осциллограммы тока разряда (1) и сигнала пироприемника (2) при регистрации энергии излучения источника СП-171 в спектральной области пропускания кварцевого фильтра, а на рис. 4 – осциллограммы излучения, зарегистрированные с использованием газовых фильтров. В соответствии со свойствами капиллярного разряда у всех осциллограмм совпадает время нарастания сигнала и длительность импульса тока (10 мкс) и монотонно возрастает сигнал с увеличением потенциала ионизации инертного газа (Xe, Kr, Ar, Ne), используемого в качестве фильтра. Тангенс угла наклона осциллограммы (скорость нарастания сигнала) пропорционален облученности поверхности приемника в соответствии с формулой (2) и, следовательно, яр-
4
t, мкс
–5
0 0
5 10 15
–4
–8
I, кА –12
1 U, мВ
2
Рис. 3. Осциллограммы тока разряда источника СП-171 (1) и его энергии излучения в спектральной области пропускания кварца (2).
10 U, мВ
–10
0 0
t, мкс
10 20 30 40 50
–10
–20
–30
6
–40
1
2 3 4 5
Рис. 4. Пироэлектрические осциллограммы
энергии излучения источника СП-171 в обла-
сти спектра пропускания фильтров: 1 – SiO2, 2 – Xe, 3 – Kr, 4 – Ar, 5 – Ne, 6 – He.
Таблица 1. Относительные скорости нарастания пироэлектрического сигнала излучения источника СП-171, прошедшего через фильтры SiO2, Xe, Kr, Ar, Ne, He (dU/dt) и рассчитанные доли интенсивности излучения АЧТ при Т = 37 000 К в тех же спектральных областях (). За единицу приняты соответствующие значения в спектральной области пропускания кварца
Фильтр SiO2 Xe Kr Ar Ne He Вакуум
(нм) 170 102 89 78 57 50 dU/dt 1 1,70 1,77 1,85 2,06 2,01
1 2,37 2,82 3,14 3,84 4,00
— — 4,20
кости источника. В табл. 1 приведены относительные скорости нарастания пиросигнала от излучения источника света СП-171, прошедшего через фильтры SiO2, Xe, Kr, Ar, Ne, He и вакуум и для сравнения доли относительной
42 “Оптический журнал”, 79, 8, 2012
Таблица 2. Измеренные значения яркостной температуры излучения источника СП-171 в соответствующих спектральных областях
SiO2, 170 нм SiO2–Xe, 170–102 нм Хе–Kr, 102–89 нм Kr–Ar, 89–78 нм Ar–Nе, 78–57 нм
37 000 K [10]
30 500 K
25 700 K
32 500 K
30 500 K
интенсивности излучения АЧТ при Т = 37 кК в тех же спектральных областях. За единицу принята яркость источника света СП-171 в области пропускания кварцевого фильтра. Из
I, МА 0,8 U, В
0,6
2
сравнения данных, приведенных в таблице, следует, что интенсивность излучения источ-
0,4
ника СП-171 в более коротковолновой обла-
0,2
сти спектра меньше интенсивности излучения АЧТ при Т = 37 кК. В табл. 2 представлены рассчитанные по данным табл. 1 значения яркостной температуры излучения источника СП-171
1
0 –25 0
25 50 75 100 125 150
–0,2 t, мкс
в областях пропускания кварцевого и газовых фильтров. По нашему мнению, снижение яркостной температуры связано с поглощением излучения в скачке уплотнения плазменной струи перед диафрагмой.
Рис. 5. Осциллограммы: 1 – тока источника излучения на основе МПК, 2 – облученности пироприемника, размещенного вне вакуумной камеры излучателя.
По осциллограмме излучения источни-
ка СП-171 в области пропускания кварцевого
фильтра (pис. 3) был определен коэффициент пирочувствительности k = 0,046 Дж/В см2.
Он вычислялся как частное от деления расчетного значения облученности (82 Вт/см2)
рения энергии излучения также подтвердили правильность калибровки пироэлектрического
на среднюю скорость изменения напряжения калориметра и его высокую помехозащищен-
сигнала (1780 В/с). Знание коэффициента не- ность.
обходимо для абсолютных измерений освещен-
ности поверхности. Для независимой проверки этого результата было проведено сравнение
Заключение
сигналов, полученных с использованием пиро-
В результате проделанной работы создан
электрического и термопарного калориметров малогабаритный помехоустойчивый пироэлек-
в одинаковых условиях. Использовался пред- трический калориметр со спектральной селек-
варительно откалиброванный термопарный цией излучения, осуществляемой фильтрами
калориметр ИМО-2. Проверка подтвердила из кварца и инертных газов. Проведена его
достоверность результатов в пределах точности энергетическая калибровка. В качестве эталон-
измерений.
ного ВУФ излучателя использовался коротко-
На базе НИИКИ ОЭП созданный пирока- импульсный вариант капиллярного разряда
лориметр был опробирован на мощной стен- с испаряемой стенкой. Полученные результа-
довой установке для измерения облученно- ты подтверждены термопарными измерениями
сти поверхности источником света на основе с использованием предварительно откалибро-
сильноточного магнитоплазменного компрес- ванного калориметра ИМО-2. Разработанное
сора (МПК). На рис. 5 представлены осцил- устройство предназначено как для измерения
лограммы разрядного тока МПК и пироэлек- спектрально-энергетических характеристик
трических измерений его энергии излучения мощных импульсных плазменных излучате-
в спектральной области пропускания кварце- лей, так и для измерения облученности поверх-
вого стекла. Очевидна корреляция обеих ос- ности испытываемых предметов в телесном
цилограмм. Контрольные термопарные изме- угле 2 стерадиан.
*****
“Оптический журнал”, 79, 8, 2012
43
ЛИТЕРАТУРА
1. Баюнов В.И., Пухов А.М. Применение пироэлектрического приемника для определения энергии излучения импульсного открытого разряда в ВУФ области спектра // ЖПС. 1990. Т. 52. № 1. С. 151–153.
2. Côté C., Desilva A.W. Fast pyroelectric detector for broadband radiated power measurements. Rev. Sci. Instrum // 1996. V. 67. P. 4146–4149.
3. Côté C. Power Balance and Characterization of Impurities in the Maryland Spheromak // Dissertation. University of Maryland. 1993. 132 p.
4. Панин В.В., Степанов Б.М. Измерение импульсных магнитных и электрических полей. М.: Энергоатомиздат, 1987. 120 c.
5. Бедрин А.Г., Ворыпаев Г.Г., Голубев Е.М. Помехозащищенный пироэлектрический калориметр для спектро-энергетических измерений в вакуумном ультрафиолете // Оптический журнал. 2009. Т. 76. № 9. С. 64–67.
6. Бедрин А.Г., Ворыпаев Г.Г., Голубев Е.М., Жилин А.Н., Левина О.В. Устройство для измерения амплитудно-временных характеристик импульсных сигналов // Патент России. № 95852. 2010.
7. Подмошенский И.В., Пухов А.М., Яковлева А.В. Импульсный источник сплошного спектра, калиброванный по яркости в вакуумном ультрафиолете // ЖПС. 1972. Т. 16. № 3. С. 415–421.
8. Ишанин Г.Г. Приемники излучения оптических и оптико-электронных приборов. Л.: Машиностроение, 1986. 175 с.
9. Новик В.К., Гаврилова Н.Д., Фельдман Н.Б. Пироэлектрические преобразователи. М.: Сов. радио, 1979. 176 с.
44 “Оптический журнал”, 79, 8, 2012