Файл: Зубов В.А. Методы измерения характеристик лазерного излучения.pdf

Здесь QUSJI—aP (t)— тепловой поток, получаемый при­ емным элементом за счет поглощеиия измеряемого излу­ чения мощностью Р (t), а — коэффициент поглощения;

<?иал.ср=аРср — тепловой поток па приемную площадку приемника от излучения окружающих деталей и предме­ тов мощностью Рср; Qnin, — приток тепла, связанный с условиями работы приемника (за счет тока питания

СІП ^JT ' + аТѴ) = аР Ѵ) + aPcv+ <?ппт-

Рассмотрим поведение приемника без действия излуче­ ния. Уравнение теплового баланса запишем в виде

c m ^ - + aT (t)= Q 0,

Эта величина дает начальную температуру приемного элемента перед измерениями светового сигнала.

В дальнейшем нас будет интересовать изменение тем­ пературы приемного элемента АТ (t) под действием из­ лучения Р (t). Уравнение теплового баланса для этой величины

16

первым членом:

t

Из этого выражения видно (рис. 2), что за время дейст­ вия импульса излучения \ происходит увеличение тем­ пературы, после прекращения действия излучения тем-

Рассмотрим действие на тепловой приемник периоди­ ческого импульсного излучения, принимая во внимание, что длительность импульса тп и период следования им­ пульсов Т много меньше постоянной времени приемника

Т„Р’ т. е.

< Т < тмр.

Интеграл в решении разобьем на части длительностью T —tln и из-под знака интеграла вынесем экспоненту, так как за время Т подынтегральное выражение отли­ чается от нуля в течение малого времени тп, за которое

ехрГ^-іЛ практически не меняется. Тогда

18

Вычисление суммы геометрической прогрессии с учетом

Будем интересоваться стационарным режимом, соответ­ ствующим переходу к t ->оо. Полупим

т

ЬТ(<х>) = ^ \ Р { і ) М = ^ Р .

и

Таким образом, при действии па приемник периодиче­ ского импульсного излучения изменение температуры пропорционально средней мощности излучения Р.

Тепловые приемники могут быть использованы для проведения абсолютных измерений, как это уже отмеча­ лось [1]. В простейшем варианте для случая полного поглощения импульса излучения (а = 1) по известным величинам теплоемкости с материала приемного элемента и массы m приемного элемента можно определить коэф­ фициент пропорциональности между полной энергией импульса излучения Wu и изменением температуры ДТылка. Однако этот метод дает ошибки из-за неполного погло­ щения энергии, из-за тепловых потерь и т. п. и для слу­ чая измерения мощности излучения не подходит, так как сколько-нибудь точно определить параметр о не пред­ ставляется возможным.

Приемный элемент прибора может быть проградуиро­ ван путем сравнения его нагрева за счет излучения с на­ гревом за счет известного количества тепловой энергии, подводимой к приемному элементу [1, 22]. Для случая непрерывного излучения это может быть нагрев электри­ ческим током, пропускаемым через подогреватель. Для случая измерения энергии импульса излучения нагрев может осуществляться за счет использования в подогре­ вателе электрической энергии, запасенной в конденса­ торе.

Указанные методы калибровки приемного элемента не учитывают того обстоятельства, что падающее излу­ чение не полностью поглощается приемным элементом из-за отличия от единицы коэффициента поглощения а, из-за наличия защитных окошек и т. п. Учет этих фак­ торов должен проводиться особо при калибровке прибора.

2* 19

Конструкции тепловых измерителей. Энергия излуче­ ния направляется в некоторый приемный элемент, кото­ рый по своим характеристикам должен приближаться к модели абсолютно черного тела, т. е. поглощение падаю­ щего излучения должно происходить наиболее полным образом. Простейшими примерами являются полый по­ глощающий конус и сфера с отверстием. В практике находят применение и более сложные конструкции, не­ которые из них схематически представлены на рис. 3 [1].

Болометрические приемные элементы также пред­ ставляют собой модели абсолютно черного тела, по эти

Рпс. 3. Схемы приемных элементов термоэлектрических прием­ ников.

модели изготовляются из проволоки, являющейся боло­ метрическим элементом.

В приемниках, предназначенных для измерения ма­ лых мощностей и энергий, для уменьшения массы прием­ ного элемента приемная площадка может изготовляться в виде диска или прямоугольника небольшого раз­ мера [23]. В калориметрических приемниках приемная площадка выполняется из тонкой черненой фольги ме­ талла с малой теплоемкостью, для болометров приемная площадка изготовляется в виде системы болометрических полосок, расположенных на тонкой подложке и покры­ тых' чернью.

Перспективными приемными элементами являются жидкостные поглотители. Преимущество их заключается в том, что они обладают не поверхностным, а объемным поглощением. Это позволяет работать со значительно большими энергиями и мощностями излучения. Поглощаю­ щее вещество подбирается в зависимости от рабочего диапазона длин волн (например, CuS04, CuCI2 и т. п.) [1].

Для уменьшения тепловых потерь приемник поме­ щается в вакуум, окружается металлическим экраном, надежно термостатируется. Для компенсации влияния изменений температуры окружающей среды в общий бал­ лон помещают также компенсационный элемент.

20

Изменение температуры приемника контролируется термоэлементом или болометром с соответствующим ре­ гистрирующим устройством. В случаеиспользования термоэлемента регистрация осуществляется гальваномет­ ром с малым внутренним сопротивлением, поскольку указанные приемники дают изменение электродвижущей

термоэлемента и гальванометра). Параметры некоторых типов приборов, пригодных для измерений такого рода,

Зеркальные гальванометры имеют еще одно преиму­ щество перед другими измерительными приборами. Дело

втом, что при большом плече измерения отсчетную шкалу можно сделать достаточно длинной, например, при плече измерения 2 м длина шкалы может достигать 1 м. Это означает, что диапазон прибора достигает трех по­ рядков.

Вслучае болометрических приемников требуется до­ полнительная схема питания измерительного моста. Со­ противление регистрирующего прибора следует выбирать

взависимости от внутреннего сопротивления боло­

метра.

21