4.4. Специализированные ОЭИП для первичных эталонов

К числу специализированных ОЭИП для первичных эталонов в области оптической радиометрии следует отнести криогенные абсолютные радиомет­ры (КАР), трап-детекторы и прецизионные фотометрические головки (ПФГ). Последние составляют основу эталонных фотометров и подробно будут рас­смотрены далее. Здесь же мы познакомимся с КАР и трап-детекторами.

4. 4. 1. Криогенные абсолютные радиометры (АР). Охлаждение АР до рабочих криогенных температур обеспечивает ряд преимуществ при­борам такого принципа действия. Значительное уменьшение теплоемкости чистых металлов при криогенных температурах позволяет создавать отно­сительно большие, почти идеальные «ловушки» оптического излучения без существенного увеличения постоянной времени ОЭИП. Увеличивающаяся температуропроводность минимизирует погрешности, порождаемые неэкви­валентностью замещения измеряемой оптической мощности известной с высо­кой точностью электрической мощностью. Источником этих погрешностей яв­ляется неидентичность распределений температуры приемной полости ОЭИП при воздействии................. Ропт и.................... Рэл. Именно это различие, порождающее неэквива­лентность замещения, является основным фактором, ограничивающим и без того высокую точность АР и особенно криогенного. Использование сверхпро­водящих проводов позволяет не считаться с выделяемым в них пренебрежимо малым джоулевым теплом, практически не влияющим на общий баланс по­грешностей.

Эти преимущества КАР позволили использовать их в ведущих метро­логических лабораториях для разных целей. Например, большой КАР был применен в Национальной Физической Лаборатории (НФЛ) для измерения с погрешностью 0, 02 % постоянной Стефана-Больцмана [31]. Несколько позже КАР использовались для измерения мощности лазерного излучения и ка­либровки излучателей на основе низкотемпературных моделей черных тел (МЧТ) [32].

При разработке любого абсолютного радиометра необходимо обеспечить компромисс между точностью и чувствительностью. Высокая точность тре­бует наличия предельно поглощающей излучение и изотермичной полости. Это обычно достигается конструированием большой «светоловушки» со зна­чительной теплоемкостью. Для того чтобы тепловая постоянная времени при этом имела приемлемое значение, тепловое сопротивление между полостью и теплостоком должно быть малым, но при этом уменьшается............... Кпр.

С другой стороны, для получения высокой чувствительности к слабым потокам излучения, это тепловое сопротивление следует максимально уве­личивать. При этом для увеличения сигнала следует расширять апертуру полости, а обеспечение приемлемой тепловой постоянной времени требует минимизации теплоемкости устройства. Обычно полости придается форма полого конуса, уменьшающая поглощательную способность и, следовательно, снижающая точность преобразования.

Криогенные АР находят преимущественное применение в двух направле­ниях эталонной оптической радиометрии. Первым из них является высокоточ­ная калибровка с помощью стабилизированных лазеров мощностью порядка 1 мВт эталонных ОЭИП — термоэлементов, калориметров, кремниевых фото­диодов (ЭЮД), болометров и пр. Такой уровень мощности лазерного излуче­ния обеспечивает высокое отношение сигнал/шум и позволяет конструировать изотермичные полости с высоким коэффициентом поглощения. Кроме того, поляризованный лазерный пучок может быть пропущен в вакуумную камеру с брюстеровским окном со сверхмалыми потерями на отражение, влияние которых легко учитывается.

Второе направление — высокочувствительные измерения энергетической яркости низкотемпературных МЧТ. Обычно в таких случаях излучатель и ОЭИП помещаются в общей вакуумной камере. Это позволяет использо­вать весь спектральный диапазон, охватываемый практически неселективной полостью, простирающийся от УФ до среднего ИК поддиапазона, т. е. в тех пределах, где на результат измерений не влияют СХ окна.

Фирмой Cambridge Research and Instrumentation, Inc., США был разрабо­тан портативный настольный лазерный КАР [32]. Поглощающая трубчатая полость изготовлена из бескислородной меди с высокой электропроводностью с наклоненным плоским донышком. Тепловая постоянная времени при тем­пературе 4, 2 К равна приблизительно 12 с. Внутренняя поверхность полости покрыта высокоглянцевой полиуретановой краской с углеродной сажей. Такое покрытие обладает высокой поглощательной способностью в спектральном диапазоне от видимого излучения до λ = 40 мкм. В видимом поддиапазоне спектра эффективная поглощательная способность равна 99, 99%.

Полость прикреплена к дну гелиевого криостата в горизонтальном по­ложении с помощью трубы из нержавеющей стали. Эта труба обеспечивает требуемое тепловое сопротивление, в результате Кпр оказывается равным 1 К/мВт. Входная апертура пропускает более 99, 99 % гауссова пучка лазерного излучения диаметром 2 мм (по уровню 1/е). Сосуд Дьюара содержит 1, 51 л жидкого гелия, его хватает более чем на 12 ч работы.

Температура полости контролируется германиевыми термометрами сопро­тивления; тепло к чувствительному элементу подводится тонкопленочными нагревателями, расположенными на наклонном дне полости. Температура теплостока сохраняется постоянной в пределах дрейфа....... 10 мК. В табл. 4. 3 приведены тщательно измеренные составляющие погрешности описываемого КАР. Такой лазерный КАР установлен в РТВ и используется в эталонной уста­новке для калибровки тепловых и фотонных ОЭИП высокой точности [33]. Аналогичный КАР используется для автоматической калибровки радиомет­ров в космическом центре Η АСА [32].

Таблица 4. 3. Составляющие погрешности лазерного криогенного абсолютного радиометра

Подробное описание КАРНИСТ приведено в [34].

Во ВНИИОФИ (Москва) также был разработан КАР для калибровки ОЭИП с использованием лазерного излучения. Конструкция этого КАР схе­матично представлена на рис. 4. 3. Установка состоит из блока приема излу­чения, электронной системы стабилизации опорной температуры теплостока и электронного устройства измерения электрической мощности [35].

Основными компонентами первого блока являются:

· гелиевый криостат;

· цилиндрическая приемная полость, внутренняя поверхность которой по­крыта поглощающей краской, а дно представляет собой наклонную плоскость, уменьшающую влияние зеркального отражения лазерного пучка;

· обмотка замещения расположена на внешней поверхности приемной полости;

· теплосток в виде подогреваемой платформы с нагревателем, прикреп­ленный к резервуару с гелием и приемной полости;

· термопреобразователи для приемной полости и теплостока;

· юстируемое входное кварцевое окно, материал которого определяет спектральный состав излучения, вводимого в КАР.

Потери на отражение минимизированы горизонтальным расположением полости внутри криостата и надлежащей юстировкой кварцевого окна, рас­положенного под углом Брюстера. Кроме того, лазерное излучение стабили­зировано по мощности.

Основной задачей, которая решалась при создании КАР ВНИИОФИ, яв­лялось достижение высокой чувствительности без неприемлемого увеличения постоянной времени.

Таким образом, ОЭИП КАР базируется на цилиндрической полости с на­клонным основанием и состоит из следующих элементов: приемной полости, плотно примыкающей к теплостоку, двух обмоток замещения и термометров сопротивления.

Рис. 4. 3. Конструкция криогенного абсолютного радиометра ВНИИОФИ

 

Полость изготовлена технологическим способом электролитического оса­ждения меди и имеет массу 30 г. Ее внутренняя поверхность покрыта чер­ной краской Nextel 3M. Теплосток представляет собой медное кольцо, вос­принимающее тепло, рассеиваемое приемной полостью, и имеет углубление для крепления термометра. Теплопроводность теплостока слегка уменьшена в связи с необходимостью усреднения температуры, а сам он сконструирован так, чтобы к нему можно было прикрепить сверхпроводящие электрические проводники и обеспечить требуемую тепловую связь (цепочку). Обмотки заме­щения изготовлены из никеля способом вакуумного напыления и изолированы слоем лака (толщина слоя никеля 100 нм, а лака — 2 мкм).

В качестве термопреобразователей использованы термометры сопротивле­ния из GaAs с чувствительными элементами размером (1 * 3) мм2. Они имеют следующие характеристики:

Коэффициент теплопроводности G тепловой связи (цепочки) является наиболее важной характеристикой, удовлетворяющей ряду требований.

Условие работы в требуемом диапазоне измеряемых мощностей выглядит следующим образом:

где - максимальное значение измеряемой мощности; — температу­ра приемной полости при облучении ее ; — опорная (референт­ная) температура.

Условие минимизации теплового шума записывается в виде:

где Ε — выраженная в процентах относительная погрешность измерений; Pmin - минимальная измеряемая мощность в полосе Δ f = 1 Гц; к — постоян­ная Больцмана.

Условие для постоянной времени:

где С — теплоемкость приемной полости; τ — ее постоянная времени.

Условие получения необходимой разрешающей способности термометра сопротивления по напряжению выглядит так:

где — ток, протекающий по термометру сопротивления; — его ди­намический коэффициент преобразования; — разрешающая способность измерительного прибора.

Экспериментально получено   при температуре полости Т= 10, 2 К.

Также очень важно было определить параметры теплостока и тепловой связи (цепочки) между теплостоком и гелиевым резервуаром. В соответствии с принципом действия КАР, теплосток во время проведения измерения долж­ен иметь постоянную температуру. Его допустимая температурная нестабиль­ность определяется выражением

При (HS - аббреви­атура от Heat Sink — теплосток).

Требуемая рабочая температура и ее стабильность обеспечиваются ос­новными узлами КАР: тепловым фильтром и электронной системой стаби­лизации температуры теплостока. Тепловым фильтром именуется сочетание теплостока с теплоемкостью и тепловой связи (цепочки) между тепло-стоком и гелиевым резервуаром с коэффициентом теплопроводности . В рассматриваемом КАР рабочая температура 5 К, а температура гелиевого резервуара — 4, 2 К. Следовательно, минимальное значение коэффициента теплопроводности тепловой связи (цепочки) между теплостоком и гелиевым

резервуаром составит:

Максимальное значение  определяется тепловым шумом и постоянной времени теплового фильтра . Тепловой фильтр должен пода­вить флуктуации температуры гелиевого резервуара, имеющие спектр . Обычно для КАР  . По мере увеличения  температурный шум быстро затухает. Из выражения  видно, что вполне возможно добиться , поскольку для этого необходимо увеличивать , но при этом увеличивается время охлаждения радиометра.

При разработке данного КАР были выбраны и . Тогда для  требуемое значение C_HS = 1, 8 Дж/К, что напрямую связано с минимизацией времени охлаждения и количества хлад­агента. Поэтому теплосток требуемой теплоемкости был изготовлен в виде медной емкости, заполненной свинцом.

Время охлаждения КАР от комнатной температуры до гелиевой не пре­восходило 5 ч, объем гелиевого резервуара составил 4 л, что позволяло без перезаполнения работать в течение двух дней.

В табл. 4. 4 и 4. 5, соответственно, приведены составляющие погрешности (в виде значений среднего квадратического отклонения) и основные харак­теристики КАР ВНИИОФИ. В зависимости от спектрального пропускания кварцевого окна, измерения мощности можно было выполнять в диапазоне длин волн от 0, 2 до 4, 0 мкм.

 

Таблица 4. 4. Составляющие погрешности КАР ВНИИОФИ

4. 4. 2. Трап-детекторы. При очевидных преимуществах тепловыя ОЭИП и особенно абсолютных радиометров с их практической неселективнсН стью, высокой точностью и возможностью электрической калибровки, с вы­полнением измерений оптической мощности методом замещения, их возмож­ности ограничены инерционностью, узким диапазоном линейности характеристики преобразования, невысоким отношением С/Ш. В результате АР можно использовать в малом рабочем диапазоне интенсивностей с погрешно­стью измерений не менее 0, 1 %.

Стремление к возможно более точному воспроизведению эталонной радио­метрической шкалы на основе абсолютного радиометра привело к созданию системы, состоящей из криогенного АР и набора лазеров [36]. Воспроизведение размера единицы мощности оптического излучения — ватта осуществлялось криогенным АР, а его передача — лазерами, но на фиксированных длинах волн.

Несмотря на то, что погрешность воспроизведения оказалась рекордно ма­лой, не превышающей 0, 005%, система оставалась незавершенной без эталон­ного ПИП с точно известной OCX, так как она не устраивала пользователей, нуждавшихся в перекрытии широкого спектрального диапазона при работе с некогерентным оптическим излучением.

Наличие по возможности неселективного ПИП, калибруемого в эталонной! установке — криогенный абсолютный радиометр—лазер, позволило бы вос­производить абсолютную радиометрическую шкалу в широкой и сплошной области спектра оптического излучения [36].

Подобный ОЭИП должен обладать следующими свойствами:

· однородным распределением Кпр по площади активной зоны приемной поверхности, т. е. однородной ЗХ;

· высоким значением отношения сигнал/шум;

· хорошей линейностью;

· малой постоянной времени;

· стабильной во времени СХ;

· независимо измеренной и предпочтительно плоской спектральной зави­симостью Кпр.

Этой совокупности «идеальных» параметров можно достичь использова­нием твердотельных ФП (например, кремниевых ФД), ФЭУ или тепловых ПИП. О достоинствах и недостатках последних в свете решения рассматри­ваемой задачи было сказано несколько ранее. Наилучшим ПИП был бы крем­ниевый ФД, но он селективен; единственным преимуществом ФЭУ является высокое отношение сигнал/шум.

Поэтому твердотельные ФП наиболее подходящи для реализации эталона, воспроизводящего абсолютную радиометрическую шкалу путем восприятия с помощью лазера размера ватта от криогенного АР [36]. Единственный недо­статок этих ФП — непредсказуемость спектральной зависимости Кпр.

В [37] впервые было показано, что определенные типы ФД с инверсионным слоем имеют близкий к единице внутренний эффективный квантовый вы­ход  в видимой области спектра. Там же было показано, что спектральная зависимость Кпр у такого ФД может быть найдена из уравнения

где е — заряд электрона; h — постоянная Планка; λ — длина волны излучения в вакууме.

Внешний эффективный квантовый выход

где ρ — зеркальный коэффициент отражения поверхности ФД, который может быть измерен, причем небольшой диффузной компонентой отражения можно пренебречь. Тогда

Таким образом, относительная спектральная зависимость Кпр фотодиода данного типа является функцией легко измеряемых длины волны и коэф­фициента отражения. В той же работе [37] показано, что зависимость от ко­эффициента отражения может быть исключена выбором конструкции ПИП, состоящего из четырех ФД, съюстированных таким образом, что отраженный каждым индивидуальным ФД поток направлен только на расположенный за ним ФД. Когда выходные токи ФД суммируются, спектральная зависи­мость Кпр ПИП в целом имеет предсказуемую характеристику, зависящую только от λ. Это происходит потому, что падающее на вход ПИП излучение по­глощается в процессе многократных отражений между индивидуальными ФД.

В [36] описан иной тип ПИП, в котором ФД с инверсионным слоем заме­нены тремя р-п ФД S1337 фирмы Hamamatsu (рис. 4. 4). Этот ПИП назван

трап-детектором, что означает детектор— «ловушка». В его состав входят три ФД типа S1337—1010 с удаленными входными окнами. Расположение ФД в разных плос­костях исключает поляризационную зави­симость Кпр.

Излучение претерпевает пять отраже­ний и практически полностью поглоща­ется.

Измерения показали, что в диапазоне длин волн от 550 до 860 нм отступление спектральной зависимости Кпр от предпо­чтительного вида не выходило за пределы 0, 1%. Неоднородность данной характери­стики на площадке, ограничиваемой рас­стояниями ±2 мм от центра ФД, не пре­восходила 0, 02 %, нелинейность ПИП при длине волны 647 нм и верхнем уровне мощ­ности 2 мВт не превысила 0, 01 %.

Стабильность спектральной зависимости Кпр группы из шести трапдетекторов проверялась в течение 12 месяцев. Долговременная нестабильность не превысила 0, 02%. При этом оказалось, что спектральная зависимость Кпр кремниевых ФД зависит от влажности по причине вариаций зеркального коэффициента отражения р. В целом на ПИП это не отражается, поскольку Кпр зависит от .

Рис. 4. 4. Трап-детектор 1Вх и /Вых - интенсивности входящего и выходящего оптического излучения

В видимой области спектра NEP трап-детектора рис. 4. 4 оказался равным 5 10^-15 Вт. Проверка поля зрения показала, что отклонение оптическй оси ПИП на 4° от нормали приводило к падению сигнала на 0, 05 %.

Результаты исследований убедительно доказали, что трап-детектор на основе Hamamatsu ФД S1337 может служить эталонным ПИП при независимо воспроизведении абсолютной радиометрической шкалы с погрешностью не более 0, 05 %

В последующие годы продолжалось изучение и совершенствование трап-детекторов. В частности, поскольку основным недостатком трап-детекторов является малое поле зрения, в [38] была поставлена и решена задача создания схемы с предельно достижимым углом обзора. Результатом работы явилась пента-схема, в которой с призмой из стекла ВК7 (п. = 1, 517) полное поле зрения для сфокусированного пучка составило 23°, что соответствовало пучку с апертурой F/2, 5.

В [39] для оценки необходимости коррекции характеристики преобразова­ния ПИП был создан трап-детектор «проходного» типа в виде трех координатной конструкции из расположенных в разных плоскостях четырех ФД. В ре­зультате наибольшая доля входного излучения не поглощалась внутри ПИП а направления входящего и выходящего потоков оказывались коаксиальными Измерению подвергалось пропускание трапдетектора для разных примене­ний. В зависимости от ориентации ПИП относительно плоскости поляризации падающего излучения, при длине волны 633 нм, потери при прохождение лучистого потока изменялись в пределах от 0, 3 до 3%.

⇐ Предыдущая11121314151617181920Следующая ⇒

Поделиться:

Воспользуйтесь поиском по сайту: