Calibration method of photoelectric pulsed radiation detectors.pdf Введение В ряде прикладных задач, связанных с фотоиндуцированными процессами, преимущественными являются следующие характеристики излучения: высокая интенсивность, увеличивающая скорость фотохимических реакций и вероятность возникновения двухквантовых процессов [1]; короткая длительность воздействия, не позволяющая перегревать объекты облучения [2, 3]; легкая управляемость интегральной энергетической экспозицией за счет изменения количества импульсов; варьирование спектрального распределения импульсных ламп в зависимости от параметров разрядной цепи. Все эти свойства объединяются в импульсных источниках излучения (ИИИ). Регистрация высокоинтенсивного излучения - отдельная фотометрическая задача, накладывающая на фотоприемники следующие ограничения: время нарастания сигнала не должно превышать 0.1 значения времени нарастания сигнала импульса света, отсутствие инерционности, удовлетворяющая требованиям задачи спектральная характеристика, надежная методика калибровки с относительно небольшой погрешностью. Для регистрации как мощности, так и энергии импульсного лазерного излучения хорошо развиты датчики на основе термоэлектрического и пироэлектрического эффектов [4, 5], относящиеся к тепловым датчикам, реакция которых пропорциональна изменению температуры фоточувствительной площадки. К недостаткам таких датчиков можно отнести повышенные требования к термической стабильности и широкий спектральный диапазон регистрации с непостоянной спектральной чувствительностью, затрудняющие интерпретирование результата измерения импульсных источников излучения сплошного спектра. Кроме того, использование таких датчиков подразумевает необходимость приобретения компьютеризированного устройства для отображения результата измерения, что значительно увеличивает стоимость системы. В [6] для регистрации импульсного излучения сплошного спектра использовали монохроматор, которым выделяли спектральные участки определенной ширины, и пироэлектрический сенсор в качестве средства получения абсолютной энергетической освещенности. Однако пренебрежение непостоянством спектральной чувствительности пироэлектрического датчика и изменением излучательных характеристик импульсной лампы от импульса к импульсу, а также достаточно широкий спектральный диапазон на каждом шаге регистрации привели к существенному отличию полученного абсолютного спектрального распределения ИИИ от относительного спектрального распределения, зарегистрированного спектрометром. Авторам статей [7, 8] за счет комбинирования спектрометра и фотоэлектрического датчика с известной абсолютной спектральной чувствительностью в предположении о равномерности излучения плазменного образования по всей длине межэлектродного пространства удалось получить абсолютное спектральное распределение энергии излучения, исследуемого ИИИ. Низкая погрешность, простота и регистрация энергетических параметров спектра излучения за один импульс позволяют рассматривать такую методику в качестве удобного средства измерения не только ИИИ, но и ламп постоянного горения. Однако наиболее дешевым и распространенным средством фотометрической диагностики импульсного излучения являются фотодиодные датчики [9, 10], большое разнообразие ключевых параметров которых позволяет подобрать сенсор, подходящий для решения задач в практически любой области. Учитывая высокую интенсивность импульсного излучения, для калибровки фотодиодных датчиков необходим эталонный высокоинтенсивный источник света. Такие эталоны редки, калибровка по ним трудозатратна и обладает относительно высокой погрешностью. Отработанные методики калибровки по низкоинтенсивным лампам постоянного горения из-за низкой чувствительности фотоприемника не смогут выдать отличимую от шума реакцию на излучение. В большинстве прикладных задач, например фотобиологических и фотохимических [11, 12], важнейшим параметром является энергетическая облученность, создаваемая источником излучения за определенное время. Таким образом, с точки зрения прогнозирования фотоиндуцированного эффекта наиболее целесообразным является контролирование энергии единичного импульса излучения. В данной работе описывается способ получения калибровочного коэффициента для фотодиодного приемника излучения, предназначенного для регистрации импульсного высокоинтенсивного излучения, по стандартной методике калибровки при помощи лампы постоянного горения. Алгоритм расчета Облучим лампой постоянного горения монохроматического характера излучения фоточувствительную площадку фотодиодного приемника с предусилителем и интегрирующей цепочкой с известной постоянной времени с такого расстояния, что неравномерностью создаваемой облученности на фотоприемной поверхности можно пренебречь. Параметры предусилителя и постоянная времени интегрирующей цепочки подобраны таким образом, чтобы датчик на выходе из интегрирующей цепи удовлетворительно различал сигнал и лампы постоянного горения, и ИИИ. Также с целью гарантированного анализа единичной вспышки лампы постоянная времени должна превышать длительность импульса излучения, но быть меньше времени периода между вспышками. В случае построения интегратора по схеме с операционным усилителем необходимо убедиться в постоянности его частотных характеристик в требуемых для решения задачи временных пределах. С учетом известной абсолютной излучательной способности, создаваемой лампой постоянного горения на уровне фотоприемной площадки, выразим коэффициент пропорциональности для данного фотодатчика: , (1) где U∫ - сигнал после интегрирующей цепочки, В; Pλ - создаваемая лампой на уровне фотоприемной площадки облученность на длине волны λ, Вт/м2; Sλ - коэффициент пропорциональности на длине волны λ между сигналом после интегрирующей цепочки U∫ и значением облученности Pλ, В∙м2/Вт. При помощи монохроматора и эталонного источника излучения определяем спектральную чувствительность фотоприемной площадки, в соответствии с которой и полученным коэффициентом Sλ находим максимальную чувствительность фотоприемной площадки Smax. Сгенерируем ИИИ сплошного спектра с неизвестной спектральной характеристикой импульс с переменной во времени мощностью излучения. Реакцией фотоприемника до интегрирующей цепочки, но после предусилителя сигнала на такое облучение будет , (2) где Uamp(t) - реакция фотоприемника после предусилителя сигнала на облученность, В; P(λ, t) - спектральная облученность, создаваемая источником излучения на уровне фоточувствительной площадки, Вт/(м2∙нм); S(λ) - нормированная на максимальное значение спектральная чувствительность фотоприемника; Smax - чувствительность фотоприемника на длине волны максимума чувствительности, В∙м2/Вт. Проинтегрировав правую часть уравнения (2) и выразив облученность, получаем , (3) где Ps(t) - облученность на уровне фотоприемной площадки с учетом ее спектральной чувствительности, Вт/м2; Uin(t) - реакция фотоприемника до предусилителя сигнала на облученность, В; k - коэффициент усиления сигнала, определяемый по известным схемотехническим компонентам. Записав уравнение интегрирующей цепи (4) и подставив в него уравнение (3), получаем . (5) Интеграл от облученности по времени - не что иное, как энергетическая облученность, выражая которую из уравнения (5), получаем , (6) где τ - постоянная времени интегрирующей цепочки, вычисляемая по известным схемотехническим компонентам или экспериментально по времени нарастания или снижения сигнала излучения на 90 %, с; Es - энергетическая облученность на уровне фотоприемной площадки с учетом ее спектральной чувствительности, Дж/м2. Уравнения (3) и (6) позволяют при помощи заранее проведенной калибровки с получением абсолютной спектральной чувствительности фотоприемника и известной постоянной времени с учетом расстояния и телесного угла вычислить как энергию излучения ИИИ, так и его временной характер мощности излучения в спектральных пределах чувствительности фотодатчика. Спектральная интерпретация результата Полученные в результате вычислений абсолютные величины характеризуют именно поглощенное фоточувствительной площадкой излучение, что, безусловно, не является конечной целью фотометрических исследований. Для однозначной интерпретации результата необходимо соотнести его со спектральным диапазоном, включенным в чувствительность фотоприемника, энергия излучения в котором наиболее близка к полученной в результате расчетов. Для этого предлагается использовать приведенный ниже способ. Предположим, что помимо используемого фотоприемника c переменной спектральной чувствительностью в диапазоне длин волн от λ1 до λ2 есть еще один - с идеальной (постоянной) спектральной чувствительностью в диапазоне длин волн от λ3 до λ4, находящейся в диапазоне λ1 до λ2 и включающей длину волны максимума чувствительности первого фотоприемника λm. При этом абсолютное значение чувствительности «идеального» фотоприемника равно максимальной чувствительности первого (рис. 1), а реакции фотоприемников в ответ на облучение ИИИ сплошного спектра равны между собой. Равенство сигналов фотоприемников свидетельствует об идентичности площадей под их спектральными чувствительностями. Разделим спектральные чувствительности на две области: до длины волны λm и после, что дает нам попарное равенство площадей под спектральными чувствительностями фотоприемников в этих областях. Спектральные границы идеального фотоприемника определяются как ; (7) , (8) где Sleft и Sright - площади под спектральной чувствительностью используемого фотоприемника в диапазонах длин волн λ1-λm и λm-λ2 соответственно, найденные математическим или графическим интегрированием; Sm - максимум относительной спектральной чувствительности фотоприемника, всегда равный единице. Таким образом, показанные преобразования позволяют определить спектральный диапазон, энергия излучения в котором равна полученному в результате расчетов значению. Предлагаемый способ оценки спектрального диапазона подходит только для интерпретации результатов, полученных при регистрации импульсного излучения сплошного характера спектрально перекрывающего чувствительность фотоприемника. При измерении излучения с полихромным участком спектра, входящим в диапазон чувствительности фотоприемника, но не перекрывающим его, потребуется корректировка значений λ1 и λ2 в соответствии со спектральным диапазоном излучения. Рис. 1. Относительные спектральные чувствительности используемого и «идеального» фотоприемников Экспериментальная проверка Экспериментальная проверка проведена при регистрации излучения сплошного спектра от импульсной ксеноновой лампы с межэлектродным расстоянием 120 мм и внутренним диаметром 5 мм. Импульс излучения создавался за счет емкости 60 мкФ, заряжаемой до напряжения ≈ 1.4 кВ. В качестве фотоприемника использовался фотодатчик на основе фотодиода SG01S-C18, структурная схема двухполярного питания которого приведена на рис. 2. Для калибровки по монохроматическому источнику излучения к выходу фотоприемника присоединялась схема с усилителем сигнала и пассивной интегрирующей RC-цепью с постоянной времени ≈ 32 мс. Рис. 2. Структурная схема двухполярного питания фотодиода: REF - источник опорного напряжения, AMP - усилитель сигнала Проведенная для фотоприемника калибровка по эталонным источнику излучения и фотоприемнику позволила получить относительную спектральную чувствительность (рис. 3, а) и вольтваттную характеристику на длине волны максимума чувствительности 2.7∙10-2 В∙м2/Вт. По зарегистрированным фотоприемником без интегральной цепи и с ней импульсам излучения на основе соотношений (3) и (6) с учетом расстояния и телесного угла цилиндрического источника излучения были получены временной характер мощности излучения и значение энергии излучения ≈ 1.55 Дж (рис. 3, б). В соответствии с приведенными рекомендациями по спектральной интерпретации получено значение эффективного спектрального диапазона 237-267 нм. Мощность излучения достигает своего максимума примерно за 39 мкс и составляет ≈ 24.6 кВт. Рис. 3. Относительная спектральная чувствительность фотоприемника и импульс излучения, зарегистрированный фотоприемником без интегрирующей цепи Дополнительно по описанной в [7] методике было зарегистрировано спектральное распределение энергетической облученности в диапазоне длин волн 200-400 нм. Рассчитанное значение энергии излучения в спектральном диапазоне 237-267 нм составило 1.68 Дж. Расхождение составило ≈ 8 %, что, во-первых, может быть связано с погрешностью измерений, а во-вторых, с нелинейным характером спектра излучения и наличием нескольких интенсивных линий в спектральном диапазоне чувствительности датчика. Заключение Описанная методика использования интегрирующей схемы с усилителем с фотоприемником для измерения импульсных источников излучения сплошного спектра позволяет проводить калибровку по лампам постоянного горения с погрешностью 5-10 % и использовать полученный коэффициент для вычисления как временного характера мощности излучения, так и для значения энергии излучения. На примере импульсной лампы в спектральном диапазоне 237-267 нм зарегистрирован импульс излучения с пиковой мощностью ≈ 24.6 кВт, временем достижения максимума ≈ 39 мкс и энергией излучения ≈ 1.55 Дж. Совпадение значений энергий излучения, полученных двумя способами, можно считать экспериментальным подтверждением корректности описанной методики.

Скачать электронную версию публикации