eng
Выпуск #8/2017
С.Г.Киреев, В.П.Архипов, С.Г.Шашковский, Н.П.Козлов
Измерение спектрально-энергетических характеристик импульсных источников излучения сплошного спектра
Измерение спектрально-энергетических характеристик импульсных источников излучения сплошного спектра
Просмотры: 4139
В статье описана методика измерения спектрального распределения энергии излучения импульсных источников света сплошного спектра. Методика апробирована на измерении импульса излучения длительностью 120 мкс.
DOI: 10.22184/1993-7296.2017.68.8.48.56
DOI: 10.22184/1993-7296.2017.68.8.48.56
Теги: measurement of spectral and energy characteristics of pulsed rad spectrometer uf-radiation source источники излучения уф-диапазона спектрально-энергетические характеристики импульсных источников спектрометр
ВВЕДЕНИЕ
Постоянное расширение сфер применения источников искусственного излучения в повседневной жизни лишний раз показывает значимость источников света в нашей жизни. Источники излучения (ИИ) используются в таких сферах, как освещение, кинопроекционная техника, управление различными фотохимическими и фотобиологическими процессами, фототравление и фотолитография, создание электронных компонентов. В последние десятилетия широкое распространение получают импульсные ИИ сплошного спектра, используемые в кинопроекционной технике, фотографии, медицинской технике [1,2], накачке лазеров и т. д.
Для регистрации излучения ИИ непрерывного горения разработан достаточно широкий ряд метрологического оборудования и методик. Хорошо известны, например, успешно применяемые методы фотофизической, основанной на внутреннем или внешнем фотоэффекте, и фотохимической регистрации излучения, основанной на изменении оптических или физических свойств вещества под воздействием света [3]. Перечисленные методики позволяют получать достоверные результаты при регистрации источников непрерывного горения, в особенности линейчатого или монохромного спектров излучения. Однако регистрация ИИ сплошного спектра импульсного характера вызывает трудности и приводит к существенным погрешностям.
Необходимость определения квантового выхода реакции в зависимости от спектрального состава излучения, требования по термостабильности используемого материала, невозможность использования вещества повторно, а также практическая непригодность существующих актинометров для регистрации коротковолнового ультрафиолетового (УФ) излучения в диапазоне 200–240 нм [4] делают фотохимический метод регистрации трудоемким и малоприменимым.
Наибольшее распространение среди устройств на основе фотофизического метода регистрации излучения получили фотодиоды, принцип работы которых основан на появлении ЭДС при освещении поверхности полупроводника. Удобство в применении, повторяемость результатов, быстродействие, а также широкая линейка предлагаемых фотодиодов на различные спектральные диапазоны от таких известных фирм, как Sglux и Hamamatsu, заставляют обратить на эту область пристальное внимание. Основное применение: измерение облученности, создаваемой на приемной поверхности от таких распространенных монохроматических источников излучения, как ртутные лампы низкого давления, эксимерные лампы, лазеры. В этом случае, пренебрегая фактом уширения спектральных линий, с учетом известной абсолютной чувствительности фотоприемника на длине волны излучения Kλ в Вт/м2 · В и зарегистрированным значением сигнала с фотодатчика U в вольтах вычисляется значение облученности E = Kλ · U. Учет спектрального уширения линий и относительной спектральной характеристики фотоприемника позволяют поднять точность измерения.
Однако измерение облученности от ИИ полихромного характера вносит значительные погрешности за счет невозможности учета спектрального распределения излучения по спектру.
Для измерения мощности излучения лазеров часто используют пироэлектрические датчики, принцип работы которых основан на возникновении электрического поля в кристалле при изменении его температуры. Хорошая чувствительность и стабильность показаний обеспечили пироэлектрическим датчикам широкое распространение в сфере измерения мощности лазеров. На текущий день ряд компаний предлагает пироэлектрические головки с широким диапазоном энергетической чувствительности, временным разрешением, спектральным диапазоном (рис.1). Более того, заложенные в обрабатывающий компьютер алгоритмы позволяют выбирать длину волны лазера, тем самым учитывая спектральную чувствительность, что значительно повышает удобство работы с датчиком. Все перечисленные факты позволяют подбирать приемник в зависимости от параметров ИИ.
С точки зрения использования пироэлектрического датчика для измерения излучения импульсного ИИ существует ряд ограничений. Во-первых, помимо самого датчика необходимо приобретать специальное компьютеризированное устройство, обрабатывающее сигнал с датчика и учитывающее его калибровочные параметры. Стоимость такого набора зачастую превышает 4 000 долларов США. Во-вторых, на датчик оказывают влияние любые источники излучения, попадающие в спектральный диапазон его чувствительности. При работе с достаточно мощными ИИ любые нагревающиеся элементы (например электроды, колба) посредством излучения в ИК-диапазоне будут вносить существенную погрешность в проводимые измерения. В-третьих, в отличие от фотодиодных приемников излучения, превышение пороговой плотности энергии приводит к повреждению чувствительной поверхности и изменению ее характеристик. В-четвертых, при регистрации излучения сплошного спектра необходима постоянная спектральная чувствительность датчика. Для приемника с головкой BB Pyro (рис.1), обладающей наиболее постоянной чувствительностью, максимальный перепад составляет ≈8%, что вносит дополнительную погрешность в результат измерений. В-пятых, отсутствует возможность получения энергетических характеристик в определенных спектральных диапазонах, даже с учетом возможности применения оптических стекол.
Ни один из перечисленных выше методов не позволяет получить достоверные результаты измерения параметров излучения импульсных источников излучения сплошного спектра в виду, как минимум, непринятия во внимания спектрального энергетического распределения.
Энергетическое распределение по спектру излучения можно учесть у ИИ, подчиняющихся приближению абсолютно черного тела (АЧТ). В этом случае, измеряемая [6] энергетическая яркость дает возможность построить спектр излучения и, с учетом известной относительной спектральной чувствительности фотоприемника, вычислить характеристики падающего на фотоприемную площадку излучения. Отхождение от приближения АЧТ и, зачастую, сложность измерения энергетической яркости источников со свободно расширяющимся телом излучения [7] вносят существенные погрешности в получаемые на выходе параметры.
Известна методика измерения абсолютных значений энергетической освещенности с использованием совокупности монохроматора, выделяющего узкий спектральный диапазон, и пироэлектрического датчика. Авторы статьи [8], выделяя монохроматором из спектра излучения последовательно участки диапазоном 10 нм, облучали приемную площадку пироэлектрического приемника излучения, получая тем самым энергетическую освещенность на уровне датчика с шагом в 10 нм (рис.2а).
Однако данной методике присущи несколько недостатков. Незначительное расхождение в форме спектров энергетической освещенности (рис.2) связано с непостоянной чувствительностью приемной головки пироэлектрического датчика. Более значительным недостатком является время, затрачиваемое на получение спектра энергетической освещенности: для получения спектрального распределения в диапазон 80 нм авторы были вынуждены 8 раз повторять операцию регистрации излучения. Увеличение точности регистрации, а следовательно, уменьшение спектрального шага приведет к пропорциональному росту количества операций и времени на получение конечного результата.
ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ МЕТОДИКИ
В качестве альтернативного способа получения абсолютных характеристик излучения сплошного спектра предлагается использовать совокупность получаемых данных со спектрометрического устройства, регистрирующего спектральное распределение оптического сигнала посредством его разложения на дисперсионном элементе и последующей фокусировке на фоточувствительной матрице, и фотофизического приемника излучения на основе фотодиода (ФПИФ) с RC-цепью, напряжение на выходе которой равно интегралу тока зарядки конденсатора.
Основное преимущество спектрометра – программный учет производителем спектральной чувствительности фотоприемной площадки, что позволяет говорить о независимости его чувствительности от длины волны. Таким образом, спектрометр позволяет получить реальное спектральное распределение приходящего излучения в относительных единицах.
Подбор спектрометра основан на трех основных требованиях: спектральная чувствительность устройства должна попадать в спектральный диапазон излучения лампы, время интегрирования должно значительно превышать длительность импульса излучения, чувствительность приемной матрицы не должна насыщаться падающим излучением.
Фотодиодный приемник подбирается исходя из требований о превышении постоянной времени RC-цепи над длительностью импульса излучения, но меньшим периода вспышек и о вхождении спектральной чувствительности ФПИФ в спектральный диапазон регистрации излучения спектрометром.
ФПИФ в зависимости от спектрального диапазона чувствительности предварительно поверяется по утвержденной методике [9], [10], обеспечивающей получение спектрального распределения относительной чувствительности Sλ, нормированной на его максимальное значение, и значения вольтовой чувствительности, характеризующей ее применительно к схеме включения приемника, на длине волны максимума чувствительности Smax [В · м2 / Вт].
Фотоприемники располагаются на удалении достаточном для попадания всего ИИ в эффективное поле зрения приемника таким образом, чтобы можно было пренебречь косинусом угла падения излучения на фоточувствительные поверхности.
Запишем уравнение RC-цепи, выразив сигнал, получаемый на выходе, через реакцию фотодиодной площадки [11]:
, (1)
где URC – сигнал на выходе RC-цепи, В; Uвх – сигнал на входе RC-цепи, В; τ – постоянная времени цепи, с; t1 – моменты времени, характеризующие начало импульса излучения и окончание.
Выразим, реакцию ФПИФ на входе RC-цепи через падающее спектральное распределение мощности излучения с учетом нормированной относительной чувствительности:
, (2)
где Ф (λ, t) – спектральная освещенность, Вт / (м2 · нм); Sλ (λ) – распределение нормированной относительной чувствительности датчика; λ1 и λ2 диапазоны длин волн в пределах спектральной чувствительности датчика.
Учитывая, что временной интеграл спектрального распределения облученности есть энергетическая освещенность, подставляем (2) в (1) и с учетом известного значения вольтовой чувствительности ФПИФ выражаем интеграл спектрального распределения энергетического излучения:
, (3)
где E (λ) – спектральное распределение энергетической освещенности, Дж / (м2 · нм).
Реакция спектрометра пропорциональна падающему излучению:
, (4)
где Kспек – коэффициент пропорциональности реакции спектрометра, Дж / отн. ед.; Eспек(λ) – реакция спектрометра на приходящее спектральное распределение энергетической освещенности, отн. ед / (м2 · нм). Подставляя (4) в (3) и выражая Kспек, получаем:
. (5)
Подставляя рассчитанное значение коэффициента пропорциональности в (4), получаем спектральное распределение энергетической освещенности, приходящей на приемную площадку спектрометра.
ПРИМЕР ПОЛУЧЕНИЯ СПЕКТРАЛЬНО-ЭНЕРГЕТИЧЕСКОГО РАСПРЕДЕЛЕНИЯ ИЗЛУЧЕНИЯ
В качестве ИИ сплошного спектра была рассмотрена трубчатая импульсная ксеноновая лампа с межэлектродным расстоянием 120 мм и внутренним диаметром – 5 мм. Оболочка лампы была изготовлена из кварцевого стекла с поглощением в УФ-С области не более 15%. Разрядный контур обеспечивал импульс излучения длительностью порядка 120 мкс.
Излучательные характеристики регистрировались с помощью оптоволоконного спектрометра просветленного типа с высокой чувствительностью в ультрафиолетовом диапазоне AvaSpec-ULS2048-USB и спектральной погрешностью не более 0,05 нм и ФПИФ UV Sensor "TOCON-С6", регистрирующим излучение в диапазоне 220–275 нм с максимумом чувствительности на 255 нм и постоянной времени 31,4 мс [12]. Для ФПИФ во Всероссийском научно-исследовательском институте оптико-физических измерений (ВНИОФИ) была заранее проведена калибровка и получены распределение относительной чувствительности Sλ, нормированной на максимальное значение (рис.3), и значение вольтовой чувствительности на длине волны 253,7 нм.
URC, снимаемое с осциллограммы импульса излучения с ФПИФ (см. рис.4), составило 0,3 В. Относительное спектральное распределение, зарегистрированное спектрометром с учетом нормированной относительной чувствительности ФПИФ, приведено на рис.5.
Подстановка интеграла спектрального распределения излучения с учетом относительной чувствительности ФПИФ, вольтовой чувствительности, сигнала максимума излучения с ФПИФ и постоянной времени в формулу (6) позволяет рассчитать значение коэффициента калибровочного коэффициента для спектрометра Kспек. Вычисляя по формуле (5) значение энергетической освещенности и учитывая расстояние до ИИ, получаем спектральное распределение энергетической светимости в единице телесного угла импульсной ксеноновой лампы (рис.6).
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Несмотря на то, что фотодиодный приемник регистрировал излучения в относительно узком спектральном диапазоне, удалось добиться получения абсолютных значений спектрального распределения энергии в более широком диапазоне регистрации спектрометра.
Получена и апробирована методика измерения спектрального распределения энергии излучения импульсных источников света сплошного спектра. Методика отличается простотой, надежностью предварительной калибровки и оперативностью получения результата. Методика апробирована на импульсе излучения длительностью порядка 120 мкс, однако может быть использована для регистрации как более коротких, так и более длительных импульсов, так как ограничена исключительно временным разрешением используемого оборудования.
ЛИТЕРАТУРА
1. Zain Husain, Tina S Alster. The role of lasers and intense pulsed light technology in dermatology. – Clinical, Cosmetic and Investigational Dermatology, 2016, v. 9, p. 29–40.
2. Камруков А.С., Козлов Н. П., Ушаков И. Б., Шашковский С. Г. Разработка и внедрение импульсных плазменно-оптических технологий и установок в космическую медицину и практическое здравоохранение. – Вестник МГТУ им. Н. Э. Баумана. Сер. Машиностроение, 2011, с. 107–120.
3. Шашлов А.Б. Основы светотехники. – М.: Логос, 2011.
4. Бойченко А.М., Ломаев М. И., Панченко А. Н., Соснин Э. А., Тарасенко В.Ф. Ультрафиолетовые и вакуумно-ультрафиолетовые эксилампы: физика и техника применения. – Томск: STT, 2011.
5. Absorption and Damage Graphs for Pyroelectric Sensors // Ophir. URL: http://www.ophiropt.com/laser – measurement/sites/default/files/pyroelectric_sensors_graphs_2.pdf
6. Маршак И.С. Импульсные источники света. – М.: Энергия, 1978.
7. Камруков А.С., Киреев С. Г., Кулебякина А. И., Козлов Н. П., Шашковский С. Г., Яловик М. С. Энергетические и спектрально-яркостные характеристики трехэлектродной импульсной ксеноновой лампы высокого давления. – Вестник МГТУ им. Н. Э. Баумана. Сер. Машиностроение. 2011. pp. 135–154.
8. T. Wang, S. J. MacGregor, J. G. Anderson, G. A. Woolsey. Pulsed ultra-violet inactivation spectrum of Escherichia coli. – Water Research. 2005. Vol. 39. p. 2921–2925.
9. ГОСТ 8.552-2001. Государственная система обеспечения единства измерений. Государственная поверочная схема для средств измерений потока излучения и энергетической освещенности в диапазоне длин волн от 0,03 до 0,40 мкм.
10. ГОСТ 8.195-2013. Государственная поверочная схема для средств измерений спектральной плотности энергетической яркости, спектральной плотности силы излучения, спектральной плотности энергетической освещенности, силы излучения и энергетической освещенности.
11. Зевеке Г.В., Ионкин П. А., Нетушил А. В., Страхов С. В. Основы теории цепей. – М: Издательство "Энергия", 1975.
12. TOCON_C6 // Веб-сайт компании Sglux. URL: http://sglux.de/en/product/tocon_c6-en/
Постоянное расширение сфер применения источников искусственного излучения в повседневной жизни лишний раз показывает значимость источников света в нашей жизни. Источники излучения (ИИ) используются в таких сферах, как освещение, кинопроекционная техника, управление различными фотохимическими и фотобиологическими процессами, фототравление и фотолитография, создание электронных компонентов. В последние десятилетия широкое распространение получают импульсные ИИ сплошного спектра, используемые в кинопроекционной технике, фотографии, медицинской технике [1,2], накачке лазеров и т. д.
Для регистрации излучения ИИ непрерывного горения разработан достаточно широкий ряд метрологического оборудования и методик. Хорошо известны, например, успешно применяемые методы фотофизической, основанной на внутреннем или внешнем фотоэффекте, и фотохимической регистрации излучения, основанной на изменении оптических или физических свойств вещества под воздействием света [3]. Перечисленные методики позволяют получать достоверные результаты при регистрации источников непрерывного горения, в особенности линейчатого или монохромного спектров излучения. Однако регистрация ИИ сплошного спектра импульсного характера вызывает трудности и приводит к существенным погрешностям.
Необходимость определения квантового выхода реакции в зависимости от спектрального состава излучения, требования по термостабильности используемого материала, невозможность использования вещества повторно, а также практическая непригодность существующих актинометров для регистрации коротковолнового ультрафиолетового (УФ) излучения в диапазоне 200–240 нм [4] делают фотохимический метод регистрации трудоемким и малоприменимым.
Наибольшее распространение среди устройств на основе фотофизического метода регистрации излучения получили фотодиоды, принцип работы которых основан на появлении ЭДС при освещении поверхности полупроводника. Удобство в применении, повторяемость результатов, быстродействие, а также широкая линейка предлагаемых фотодиодов на различные спектральные диапазоны от таких известных фирм, как Sglux и Hamamatsu, заставляют обратить на эту область пристальное внимание. Основное применение: измерение облученности, создаваемой на приемной поверхности от таких распространенных монохроматических источников излучения, как ртутные лампы низкого давления, эксимерные лампы, лазеры. В этом случае, пренебрегая фактом уширения спектральных линий, с учетом известной абсолютной чувствительности фотоприемника на длине волны излучения Kλ в Вт/м2 · В и зарегистрированным значением сигнала с фотодатчика U в вольтах вычисляется значение облученности E = Kλ · U. Учет спектрального уширения линий и относительной спектральной характеристики фотоприемника позволяют поднять точность измерения.
Однако измерение облученности от ИИ полихромного характера вносит значительные погрешности за счет невозможности учета спектрального распределения излучения по спектру.
Для измерения мощности излучения лазеров часто используют пироэлектрические датчики, принцип работы которых основан на возникновении электрического поля в кристалле при изменении его температуры. Хорошая чувствительность и стабильность показаний обеспечили пироэлектрическим датчикам широкое распространение в сфере измерения мощности лазеров. На текущий день ряд компаний предлагает пироэлектрические головки с широким диапазоном энергетической чувствительности, временным разрешением, спектральным диапазоном (рис.1). Более того, заложенные в обрабатывающий компьютер алгоритмы позволяют выбирать длину волны лазера, тем самым учитывая спектральную чувствительность, что значительно повышает удобство работы с датчиком. Все перечисленные факты позволяют подбирать приемник в зависимости от параметров ИИ.
С точки зрения использования пироэлектрического датчика для измерения излучения импульсного ИИ существует ряд ограничений. Во-первых, помимо самого датчика необходимо приобретать специальное компьютеризированное устройство, обрабатывающее сигнал с датчика и учитывающее его калибровочные параметры. Стоимость такого набора зачастую превышает 4 000 долларов США. Во-вторых, на датчик оказывают влияние любые источники излучения, попадающие в спектральный диапазон его чувствительности. При работе с достаточно мощными ИИ любые нагревающиеся элементы (например электроды, колба) посредством излучения в ИК-диапазоне будут вносить существенную погрешность в проводимые измерения. В-третьих, в отличие от фотодиодных приемников излучения, превышение пороговой плотности энергии приводит к повреждению чувствительной поверхности и изменению ее характеристик. В-четвертых, при регистрации излучения сплошного спектра необходима постоянная спектральная чувствительность датчика. Для приемника с головкой BB Pyro (рис.1), обладающей наиболее постоянной чувствительностью, максимальный перепад составляет ≈8%, что вносит дополнительную погрешность в результат измерений. В-пятых, отсутствует возможность получения энергетических характеристик в определенных спектральных диапазонах, даже с учетом возможности применения оптических стекол.
Ни один из перечисленных выше методов не позволяет получить достоверные результаты измерения параметров излучения импульсных источников излучения сплошного спектра в виду, как минимум, непринятия во внимания спектрального энергетического распределения.
Энергетическое распределение по спектру излучения можно учесть у ИИ, подчиняющихся приближению абсолютно черного тела (АЧТ). В этом случае, измеряемая [6] энергетическая яркость дает возможность построить спектр излучения и, с учетом известной относительной спектральной чувствительности фотоприемника, вычислить характеристики падающего на фотоприемную площадку излучения. Отхождение от приближения АЧТ и, зачастую, сложность измерения энергетической яркости источников со свободно расширяющимся телом излучения [7] вносят существенные погрешности в получаемые на выходе параметры.
Известна методика измерения абсолютных значений энергетической освещенности с использованием совокупности монохроматора, выделяющего узкий спектральный диапазон, и пироэлектрического датчика. Авторы статьи [8], выделяя монохроматором из спектра излучения последовательно участки диапазоном 10 нм, облучали приемную площадку пироэлектрического приемника излучения, получая тем самым энергетическую освещенность на уровне датчика с шагом в 10 нм (рис.2а).
Однако данной методике присущи несколько недостатков. Незначительное расхождение в форме спектров энергетической освещенности (рис.2) связано с непостоянной чувствительностью приемной головки пироэлектрического датчика. Более значительным недостатком является время, затрачиваемое на получение спектра энергетической освещенности: для получения спектрального распределения в диапазон 80 нм авторы были вынуждены 8 раз повторять операцию регистрации излучения. Увеличение точности регистрации, а следовательно, уменьшение спектрального шага приведет к пропорциональному росту количества операций и времени на получение конечного результата.
ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ МЕТОДИКИ
В качестве альтернативного способа получения абсолютных характеристик излучения сплошного спектра предлагается использовать совокупность получаемых данных со спектрометрического устройства, регистрирующего спектральное распределение оптического сигнала посредством его разложения на дисперсионном элементе и последующей фокусировке на фоточувствительной матрице, и фотофизического приемника излучения на основе фотодиода (ФПИФ) с RC-цепью, напряжение на выходе которой равно интегралу тока зарядки конденсатора.
Основное преимущество спектрометра – программный учет производителем спектральной чувствительности фотоприемной площадки, что позволяет говорить о независимости его чувствительности от длины волны. Таким образом, спектрометр позволяет получить реальное спектральное распределение приходящего излучения в относительных единицах.
Подбор спектрометра основан на трех основных требованиях: спектральная чувствительность устройства должна попадать в спектральный диапазон излучения лампы, время интегрирования должно значительно превышать длительность импульса излучения, чувствительность приемной матрицы не должна насыщаться падающим излучением.
Фотодиодный приемник подбирается исходя из требований о превышении постоянной времени RC-цепи над длительностью импульса излучения, но меньшим периода вспышек и о вхождении спектральной чувствительности ФПИФ в спектральный диапазон регистрации излучения спектрометром.
ФПИФ в зависимости от спектрального диапазона чувствительности предварительно поверяется по утвержденной методике [9], [10], обеспечивающей получение спектрального распределения относительной чувствительности Sλ, нормированной на его максимальное значение, и значения вольтовой чувствительности, характеризующей ее применительно к схеме включения приемника, на длине волны максимума чувствительности Smax [В · м2 / Вт].
Фотоприемники располагаются на удалении достаточном для попадания всего ИИ в эффективное поле зрения приемника таким образом, чтобы можно было пренебречь косинусом угла падения излучения на фоточувствительные поверхности.
Запишем уравнение RC-цепи, выразив сигнал, получаемый на выходе, через реакцию фотодиодной площадки [11]:
, (1)
где URC – сигнал на выходе RC-цепи, В; Uвх – сигнал на входе RC-цепи, В; τ – постоянная времени цепи, с; t1 – моменты времени, характеризующие начало импульса излучения и окончание.
Выразим, реакцию ФПИФ на входе RC-цепи через падающее спектральное распределение мощности излучения с учетом нормированной относительной чувствительности:
, (2)
где Ф (λ, t) – спектральная освещенность, Вт / (м2 · нм); Sλ (λ) – распределение нормированной относительной чувствительности датчика; λ1 и λ2 диапазоны длин волн в пределах спектральной чувствительности датчика.
Учитывая, что временной интеграл спектрального распределения облученности есть энергетическая освещенность, подставляем (2) в (1) и с учетом известного значения вольтовой чувствительности ФПИФ выражаем интеграл спектрального распределения энергетического излучения:
, (3)
где E (λ) – спектральное распределение энергетической освещенности, Дж / (м2 · нм).
Реакция спектрометра пропорциональна падающему излучению:
, (4)
где Kспек – коэффициент пропорциональности реакции спектрометра, Дж / отн. ед.; Eспек(λ) – реакция спектрометра на приходящее спектральное распределение энергетической освещенности, отн. ед / (м2 · нм). Подставляя (4) в (3) и выражая Kспек, получаем:
. (5)
Подставляя рассчитанное значение коэффициента пропорциональности в (4), получаем спектральное распределение энергетической освещенности, приходящей на приемную площадку спектрометра.
ПРИМЕР ПОЛУЧЕНИЯ СПЕКТРАЛЬНО-ЭНЕРГЕТИЧЕСКОГО РАСПРЕДЕЛЕНИЯ ИЗЛУЧЕНИЯ
В качестве ИИ сплошного спектра была рассмотрена трубчатая импульсная ксеноновая лампа с межэлектродным расстоянием 120 мм и внутренним диаметром – 5 мм. Оболочка лампы была изготовлена из кварцевого стекла с поглощением в УФ-С области не более 15%. Разрядный контур обеспечивал импульс излучения длительностью порядка 120 мкс.
Излучательные характеристики регистрировались с помощью оптоволоконного спектрометра просветленного типа с высокой чувствительностью в ультрафиолетовом диапазоне AvaSpec-ULS2048-USB и спектральной погрешностью не более 0,05 нм и ФПИФ UV Sensor "TOCON-С6", регистрирующим излучение в диапазоне 220–275 нм с максимумом чувствительности на 255 нм и постоянной времени 31,4 мс [12]. Для ФПИФ во Всероссийском научно-исследовательском институте оптико-физических измерений (ВНИОФИ) была заранее проведена калибровка и получены распределение относительной чувствительности Sλ, нормированной на максимальное значение (рис.3), и значение вольтовой чувствительности на длине волны 253,7 нм.
URC, снимаемое с осциллограммы импульса излучения с ФПИФ (см. рис.4), составило 0,3 В. Относительное спектральное распределение, зарегистрированное спектрометром с учетом нормированной относительной чувствительности ФПИФ, приведено на рис.5.
Подстановка интеграла спектрального распределения излучения с учетом относительной чувствительности ФПИФ, вольтовой чувствительности, сигнала максимума излучения с ФПИФ и постоянной времени в формулу (6) позволяет рассчитать значение коэффициента калибровочного коэффициента для спектрометра Kспек. Вычисляя по формуле (5) значение энергетической освещенности и учитывая расстояние до ИИ, получаем спектральное распределение энергетической светимости в единице телесного угла импульсной ксеноновой лампы (рис.6).
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Несмотря на то, что фотодиодный приемник регистрировал излучения в относительно узком спектральном диапазоне, удалось добиться получения абсолютных значений спектрального распределения энергии в более широком диапазоне регистрации спектрометра.
Получена и апробирована методика измерения спектрального распределения энергии излучения импульсных источников света сплошного спектра. Методика отличается простотой, надежностью предварительной калибровки и оперативностью получения результата. Методика апробирована на импульсе излучения длительностью порядка 120 мкс, однако может быть использована для регистрации как более коротких, так и более длительных импульсов, так как ограничена исключительно временным разрешением используемого оборудования.
ЛИТЕРАТУРА
1. Zain Husain, Tina S Alster. The role of lasers and intense pulsed light technology in dermatology. – Clinical, Cosmetic and Investigational Dermatology, 2016, v. 9, p. 29–40.
2. Камруков А.С., Козлов Н. П., Ушаков И. Б., Шашковский С. Г. Разработка и внедрение импульсных плазменно-оптических технологий и установок в космическую медицину и практическое здравоохранение. – Вестник МГТУ им. Н. Э. Баумана. Сер. Машиностроение, 2011, с. 107–120.
3. Шашлов А.Б. Основы светотехники. – М.: Логос, 2011.
4. Бойченко А.М., Ломаев М. И., Панченко А. Н., Соснин Э. А., Тарасенко В.Ф. Ультрафиолетовые и вакуумно-ультрафиолетовые эксилампы: физика и техника применения. – Томск: STT, 2011.
5. Absorption and Damage Graphs for Pyroelectric Sensors // Ophir. URL: http://www.ophiropt.com/laser – measurement/sites/default/files/pyroelectric_sensors_graphs_2.pdf
6. Маршак И.С. Импульсные источники света. – М.: Энергия, 1978.
7. Камруков А.С., Киреев С. Г., Кулебякина А. И., Козлов Н. П., Шашковский С. Г., Яловик М. С. Энергетические и спектрально-яркостные характеристики трехэлектродной импульсной ксеноновой лампы высокого давления. – Вестник МГТУ им. Н. Э. Баумана. Сер. Машиностроение. 2011. pp. 135–154.
8. T. Wang, S. J. MacGregor, J. G. Anderson, G. A. Woolsey. Pulsed ultra-violet inactivation spectrum of Escherichia coli. – Water Research. 2005. Vol. 39. p. 2921–2925.
9. ГОСТ 8.552-2001. Государственная система обеспечения единства измерений. Государственная поверочная схема для средств измерений потока излучения и энергетической освещенности в диапазоне длин волн от 0,03 до 0,40 мкм.
10. ГОСТ 8.195-2013. Государственная поверочная схема для средств измерений спектральной плотности энергетической яркости, спектральной плотности силы излучения, спектральной плотности энергетической освещенности, силы излучения и энергетической освещенности.
11. Зевеке Г.В., Ионкин П. А., Нетушил А. В., Страхов С. В. Основы теории цепей. – М: Издательство "Энергия", 1975.
12. TOCON_C6 // Веб-сайт компании Sglux. URL: http://sglux.de/en/product/tocon_c6-en/
Отзывы читателей
