Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА I. Лазерный компаратор с наведенным резистором замещения 11
1.1. Исследование свойств преобразователей излучения с наведенным резистором замещения 11
1.2. Метод калибровки лазерного компаратора (ЛК) 13
1.3. Анализ диссипативных процессов в ЛК для основных режимов работы преобразователя излучения 18
1.4. Изучение особенностей Ж по управлению положением в объеме преобразователя излучения компарируемых источников 29
1.5. Экспериментальные исследования по проверке выводов теории метода калибровки 47
1.6. Выводы 52
ГЛАВА II. Исследование эквивалентности преобразования лазерного компаратора с использованием варьируемых граничных условий 54
2.1. Теория метода калибровки ЛК на основе вариации граничных условий 61
2.2. Исследование источников погрешностей при измерении эквивалентности компарирования 61
2.3. Экспериментальные исследования по определению эквивалентности компарирования методом варьируемых граничных условий 65
2.4. Выводы 67
ГЛАВА III. Праметрический метод калибровки высокоэффективного преобразователя лазерного излучения 70
3.1. Теоретические исследования метода калибровки преобразователя лазерного излучения с использованием энергетической эффективности как основного параметра 71
3.2. Анализ диссипативных процессов в преобразователе при последовательном переходе от режима короткого замыкания, через реперный-оптимальной нагрузки к режиму холостого хода 79
3.3. Экспериментальные исследования параметрического метода калибровки 89
3.4. Выводы 91
ГЛАВА ІV. Автономно калибруемый сопряженный компаратор 94
4.1. Исходные предпосылки метода калибровки сопряженных компараторов 94
4.2. Конструкция сопряженных компараторов 100
4.3. Теоретический анализ метода калибровки сопряженных компараторов 104
4.4. Изучение характеристик сопряженных компараторов
и источников погрешностей метода калибровки 114
4.5. Выводы 116
ГЛАВА V. Исследование спектральных коэффициентов отражения приемников лазерного излучения с произвольной индикатрисой рассеяния 118
5.1. Автономный метод измерений спектральных коэффициентов отражений приемной поверхности Ж 118
5.2. Теоретические основы метода измерений спектральных коэффициентов отражений ЛК, совмещенных с интегрирующей сферой 120
5.3, Экспериментальные исследования поглощательной способности разработанных преобразователей лазерного излучения с независимой калибровкой 132
5.4, Выводы 136
ГЛАВА VІ. Экспериментальные исследования автономно калибруемых Ж и сопряженных компараторов 138
6.1. Аппаратурная реализация и изучение характеристик лазерных компараторов с наведенным резистором замещения 138
6.2. Аппаратурная реализация и исследование сопряженных компараторов 146
6.3. Проверка методов и результатов независимой калибровки преобразователей лазерного излучения путем сличения с аппаратурой калиброванной традиционными методами 153
6.4. Выводы 154
8. Заключение 155
9. Литература 158
10. Приложения 170
- Анализ диссипативных процессов в ЛК для основных режимов работы преобразователя излучения
- Исследование источников погрешностей при измерении эквивалентности компарирования
- Анализ диссипативных процессов в преобразователе при последовательном переходе от режима короткого замыкания, через реперный-оптимальной нагрузки к режиму холостого хода
- Теоретические основы метода измерений спектральных коэффициентов отражений ЛК, совмещенных с интегрирующей сферой
Введение к работе
Лазеры и устройства на их основе находят широкое распространение как в научных исследованиях, так и производстве за счет таких специфических особенностей лазерного излучения, как высокая спектральная плотность энергетической яркости, монохроматичность, малая расходимость пучка излучения и др. Одним из условий эффективного использования лазеров является точное измерение одного из важнейших энергетических параметров - мощности излучения, поскольку достигнутые значения погрешностей 3 - 15% не всегда удовлетворяют при проведении точных экспериментов, при контроле качества разрабатываемых и выпускаемых лазерных систем (например, для оптических линий связи) , аттестации и поверки измерительной аппаратуры.
Расширяющееся использование лазеров в специфических условиях высоких и низких температур, вакуума и агрессивных сред, встроенной и бортовой аппаратуры определяет необходимость комплексных исследований по разработке автономно калибруемых лазерных компараторов и методов точного измерения мощности лазерного излучения. При этом необходим учет таких особенностей излучения, ограничивающих точность абсолютных и относительных измерений, как неравномерность распределения мощности излучения внутри пучка, вариации этого распределения, различие угловой расходимости лазерных пучков, нестабильность уровня мощности излучения.
Неравномерность распределения плотности мощности излучения внутри лазерного пучка и вариации этого распределения по приемной поверхности преобразователя излучения является одним из основных факторов, ограничивающих точность измерений энер-
готических параметров лазерного излучения. Уменьшение влияния этих факторов осуществлялось двумя основными путями, а именно: разработкой лазеров со специальными резонаторами, создающими выравнивание поля излучения |105 - По], и использованием световода для трансформации распределения поля лазерного излучения^, 102J. Первое решенеие приемлемо в основном для лазеров с большим коэффициентом усиления активной среды. Использование второго решения ограничено закрытыми оптическими трактами.
Более широкими возможностями обладает метод, разработанный в последнее время [75, 93І, который состоит в том, что используется лазерный компаратор с согласованным воздействием через тепловые потоки на преобразователь мощности лазерного излучения и электрической мощности от внешнего источника. При этом результат сравнения уровней мощности двух или нескольких лазеров практически не зависит от распределения плотности мощности излучения в пучке каждого из лазеров. Разработанный лазерный компаратор с указанными свойствами нашел практическое воплощение в эталоне сравнения мощности лазерного излучения и в средствах для международных сличений лазеров по мощности ВЭТ 28 - 9 - 83.
Для абсолютных измерений мощности лазерного излучения, в основном для лазеров, работающих в специфических условиях, в настоящее время проводятся интенсивный поиск и исследования методов автономной калибровки лазерных приемников. Так, используя высокую монохроматичность и точные абсолютные измерения длины волны лазерного излучения, в США разработан метод калибровки фотоприемника с высокой квантовой эффективностью в режиме счета фотонов, с рекордной точностью О,(Ж (1980г.). Близкого уровня точности достигли в Национальной физической лаборатории (Англия) для излучения Не - if е лазера и приемника
типа черное тело в условиях глубокого вакуума и гелиевых температур (1979).
К настоящему времени известно несколько независимых методов калибровки приемников, предназначенных для абсолютных измерений энергетических параметров лазерного излучения.
Изотермический калориметрический приемник, метод калибровки которого состоит в определении относительных количеств вещества в каждой фазе двухфазной системы [3,7].
Калибровка приемника по эталонному источнику, с использованием различных моделей черного тела, основанная на законах Планка, Стефана - Больцмана [3,4І.
Пондеромоторный приемник, метод калибровки которого основан на измерении его механической реакции, связанной простым соотношением с энергией излучения [4,5І.
Каждый из перечисленных методов имеет свои отличительные особенности и специфику применения. Однако наиболее исследованным и распространенным является метод калибровки компаратора типа черное тело с регистрацией приращения температуры приемного элемента, совмещенного с резистором замещения Г 3,5,6,7]. Приращение температуры обусловлено как нагревом излучением, так и нагревом электрическим током. Искомым параметром при калибровке является коэффициент неэквивалентности преобразования (КП) поглощенной мощности излучения и электрической мощности в выходные сигналы термочувствительного элемента компаратора. Методой калибровки компаратора является метод измерения КП. Погрешности измерения КП снижают двумя способами [7-ІІІ: сведение к минимуму неконтролируемых тепловых потоков с приемного элемента и резистора замещения; повышение эквивалентности распределения компарируемых источников тепла.
Широкое распространение в диапазоне излучений от радио до
ионизирующих, включая лазерное, получил метод Макферсона с использованием двойного калориметра [8], состоящий в том, что исследуемый компаратор помещают внутрь калориметра, который позволяет зарегистрировать все потери тепловых потоков с компаратора и, следовательно, определить значение КП.
Основным фактором, ограничивающим снижение погрешности при измерении этим методом,является допущение, что для внешнего калориметра выполняются условия Кальве:
а) регистрируются все тепловые потоки от любого источника,
расположенного внутри его объема;
б) зонная зависимость чувствительности однородна по всему
объему калориметра.
Отличия внешнего калориметра от идеального и влияние их на погрешность измерений мощности излучения определялись путем прямых измерений зональной зависимости чувствительности с учетом нулевого приближения при расчете зависимости погрешности метода от неоднородности зонной чувствительности. Поскольку реальные конструкции внешних калориметров не обеспечивают неоднородности чувствительности менее 10%, то погрешность наилучших из них не менее 0,5%. Дальнейший прогрессэтого метода ограничен сложностью процесса измерения и учета неоднородности зонной чувствительности.
Вакуумирование объема, окружающего компаратора, значительно снижает неэквивалентность преобразования за счет исключения конвективной компоненты теплоотдачи. Вакуумный вариант компаратора применен в качестве исходного измерителя в национальных эталонах США 1971г. [ю] и в СССР 1978г. [9] . В Англии [її] , используя компаратор типа черное тело в условиях глубокого
вакуума и гелиевых температур удалось значительно снизить погрешность метода калибровки (< 0,190.
К недостаткам этого типа компараторов следует отнести сложность конструкции и эксплуатации, что ограничивает их использование только в эталонной аппаратуре.
Анализируя технические трудности при реализации вакуумного компаратора, ограничивающие его широкое использование, сотрудники НБС США в 1980г. [12] предложили и разрабатывают новый метод калибровки, основанный на особенностях фотоэлектрических явлений в полупроводниках с р-ґі перходом (ФЭП).
Некоторые экземпляры пленарных кремниевых ФЭП с мелко залегающим р-n, переходом, разрабатываемые для УФ области спектра, обладают квантовой эффективностью 0,96-0,99 для определенной части спектрального диапазона излучений. Исследования физики процессов в подобных полупроводниковых структурах дают основания считать, что основная доля рекомбинирующих носителей заряда (9096 и более) происходит на облучаемой поверхности. Для выявления большей части рекомбинирующих на поверхности носителей на облучаемой поверхности ФЭП наносится прозрачный (электролитический) электрод. При подаче на него нарастающего потенциала (полярностью, обеспечивающей отталкивание неосновных носителей заряда в приповерхностном слое от плоскости рекомбинации) происходит рост выходного сигнала ФЭП и, соответственно, рост коэффициента собирания носителей р-п переходом.
При прекращении роста выходного сигнала ФЭП фиксируется число электронов во внешней цепи ФЭП, равное числу поглощенных фотонов, за исключением неучтенной части фотонов, поглощенных в объеме ФЭП нефотоактивно, и неучтенной части носителей заря-
да, рекомбинировавших в объеме ир-л. переходе ФЭП, а также частично рекомбинировавших на облучаемой поверхности. Эти потери оцениваются авторами теоретически, что создает определенные трудности в оценке погрепшости метода. Шеются технические трудности с использованием прозрачного жидкого электрода на облучаемой поверхности ФЭП, что проявляется как дестабилизирующий фактор уровня излучения, а также приводит к невоспроизводимости поглощательной способности ФЭП, так как при переходе от режима калибровки к рабочему режиму из-за различия в условиях облучения. в полной мере проявляется зонная неоднородность чувствительности ФЭП.
Учитывая перечисленные факторы, авторы оценивают погрешность измерения мощности излучения фотодиодом, калибруемым этим методом не более 0,04# [11,12].
Интерес к ФЭП и методам их независимой калибровки обусловлен также следующими причинами(56,57,66,67,8Ъ,85,90»91]"
все чаще возникает необходимость в приемниках излучения с автономной калибровкой для использования в условиях, когда калибровка по эталону технически затруднена или связана с недопустимой потерей точности (бортовая и встроенная аппаратура...)
основные параметры ФЭП, такие как квантовая и энергетическая эффективности (к моно и полихроматическому излучению) в процессе исследования, отработки технологии и при выходном контроле определялись с использованием имитаторов через абсолютные измерения. Целесообразно рассмотреть методы измерения этих параметров через относительные измерения, что значительно повышает точность и главное, позволяло бы проводить эти измерения в условиях эксплуатации ФЭП.
Работа выполнялась в отделе квантовой радиофизики Всесоюзного ордена Трудового Красного Знамени научно-исследовательского института физико-технических и радиотехнических измерений под руководством кандидата технических наук Кубарева А.В.
Исследования велись в следующих направлениях:
Теоретические и экспериментальные исследования новых независимых методов калибровки приемников лазерного излучения.
Повышение точности абсолютных измерений мощности лазерного излучения с учетом специфических особенностей этого излучения и условий работы лазеров.
3. Разработка и создание устройств для прецизионного компа-
рирования по мощности двух или нескольких лазеров с различным
распределением поля излучения, различными длинами волн, уров
нями мощности и работающих в различающихся условиях.
Анализ диссипативных процессов в ЛК для основных режимов работы преобразователя излучения
Неравномерность распределения плотности мощности по сечению пучка и не-тіолное (в общем случае произвольное и не контролируемое) заполнение приемной поверхности компаратора излучением (контуры сечения пучка излучения не должны выходить за контуры поверхности приемного элемента) порождает неоднозначность в значениях выходного сигнала компаратора в случае неравномерной зонной оптической чувствительности. Влияние указанной причины на точность измерения в компараторах усложняется необходимостью введения аналогичного параметра - неравномерности зонной электрической чувствительности компаратора для резистора замещения (это можно осуществить путем секционирования резистора замещения). К этому необходимо добавить изменчивость указанных параметров во времени. Неоднозначность указанных зонных зависимостей для каждого конкретного процесса измерения (отличаются геометрическими параметрами пучка) делает задачу определения одной из составляющих погрешностей крайне сложной. Путем конструктивных решений удается снизить оптическую зонную неоднородность чувствительности до 0,2 - 0,5 , при наложении определенных ограничений на пространственно энергетические параметры пучка излучения, что достигается за счет снижения.
Наряду с неопределенностью значения коэффициента отражения и неэквивалентности преобразования, указанная причина является одной из основных, обуславливающих погрешность измерения мощности излучения.
Использование фотоэлектрического преобразователя в качестве компаратора позволило свести к минимуму влияние указанных причин на точность калибровки и измерения мощности излучения, при этом требования к конструкции компаратора значительно упрощены, а быстродействие и чувствительность значительно повышены,
Фотоэлектрический преобразователь выступает в качестве самосогласованного компаратора при сравнении оптического и электрического сигналов. В объеме фотоэлектрического преобразователя (ФЭП) излучением инициируется помимо первичного источника тепла, обусловленного диссипативными процессами и имеющего пространственно энергетические и временные параметры,коррелирующие с распределением измеряемого излучения, также резистор замещения, являющийся нагрузкой для внешнего источника электрической мощности (энергии). Наведенный излучением резистор замещения позволяет создать вторичный источник, интенсивность которого определяется внешним калиброванным электрическим источником, а пространственно энергетические (распределение мощности по сечению приемной площадки) и временные характеристики определяются аналогичными параметрами излучения. Этим объясняется экспериментальный факт - отсутствие зависимости результата измерения энергетических параметров излучения от неравномерности распределения плотности мощности по сечению пучка излучения вне зависимости от места попадания излучения на приемную поверхность ФЭП.
Физическим обоснованием факта самосогласования рассматриваемых источников тепла является то, что порождаемые излучением в объеме полупроводника носители заряда передают кристаллической решетке энергию за счет диссипативных процессов и обуславливают ток внешнего электрического источника, подключенного к ФЭП в запорном направлении. При этом неосновные носители распространяются за пределы области генерации благодаря диффузионным процессам. А поскольку диффузионные длины неосновных носителей в приповерхностном слое ФЭП сравнимы с глубиной залегания р-п -перехода (типичные значения лежат в диапазоне 0,05 - 5 мкм),то размывание контура пятна облучения приемной поверхности не превышает этих же значений. В тыльной области ФЭП за р-п - переходом диффузионные длины неосновных носителей заряда составляют величины порядка 10 - 100 мкм [I], что на несколько порядков меньше геометрических параметров приемной поверхности ФЭП и используемых пучков излучений, отсюда следует высокая степень пространственной корреляции наведенных источников тепла, даже без учета интегрирующего действия свойственного материала с высокой теплопроводностью и усредняющего действия термопреоб разователя.
Для проверки этого утверждения были проведены экспериментальные исследования на специально разработанной конструкции рис. I компаратора, состоящего из ФЭП с ярко выраженной неравномерностью зонной зависимости чувствительности по току короткого замыкания к излучению - более 12%. Термоэлектрический преобразователь - 2 представляет собой полупроводниковую термобатарею с четырьмя спаями, локализованную на тыльной поверхности ФЭП таким образом, чтобы искусственно реализовать значительную неравномерность зонной зависимости чувствительности термоэлектрического преобразователя (ТЭП) от места попадания узкого пучка излучения (диаметр менее I мм) на приемную поверхность ФЭП. Конструкция изображена на рис. I. Результаты экспериментальных исследований приведены на рис. 2.
Исследование источников погрешностей при измерении эквивалентности компарирования
При переводе ФЭП из режима короткого замыкания - КЗ в режим прямого смещения - ПС необходимо найти зависимость параметров ФЭП от условий измерений, при которых должно происходить дальнейшее смещение плоскости ЭЙТ в направлении облучаемой поверхности. Это условие реализуется при высоком уровне рассеиваемой мощности, когда Джоулев нагрев последовательного сопротивления ФЭП превалирует над рекомбинацией. Т.е. при выполнении неравенства 10 —-- плоскость ЭИТ для ФЭП в режиме прямого смещения перемещается в направлении к облучаемой поверхности. Для ФЭП энергетического назначения со значением последовательного сопротивления: Кп 2 Ом, указанное условие начинает выполняться при токе 500-1000 мА.
Расчет, предпринятый в отношении гетероструктур [26,27], разработанных на уровни солнечного излучения 100-250 Вт при диаметре приемной поверхности 1-2 см.,показывает реальную возможность использования метода калибровки, анализируемого в настоящей работе,для подобных приемников.
Формула измерения мощности излучения и калибровки ФЭП указанного типа и назначения, в спектральном диапазоне чувствительности ФЭП с длинноволновой границей Х3 представлена выражением (1.44). Систематическая погрешность, обусловленная неопределенностью коэффициента неэквивалентности преобразования, определяется по выражению:
Эксперименты по измерению перераспределения парциальных источников, обусловленных диссипативными процессами в соответствующих режимах работы ФЭП (схема эксперимента и результаты измерений приведены на стр. SO ), подтверждают справедливость теории метода независимой калибровки . Третий вариант метода калибровки фотоэлектрического компаратора основан на использовании как и в предыдущих вариантах реперного режима включения ФЭП - короткое замыкание, а в качестве калибровочных - режим обратного смещения, но при различных по отношению к характеристическому напряжению - U ХШ5, значениях напряжения смещения. Этот вариант метода основан на той особенности поведения несимметричного р-п - перехода в ФЭП с высокоомной подложкой ( 10 см 3), для которого изменяется ширина р-п - перехода в зависимости от значения приложенного напряжения, что приводит к смещению плоскости эффективного источника, обусловленного эффектом Пельтье на р-п - переходе в направлении тыльного электрода. Сопоставление параметров ФЭП в режиме ОС для двух значений напряжения смещения обеспечивает условия реализации метода калибровки. На основании формулы (І.ЗІ) для режимов КЗ и OCj (при напряжении смещения 17 ос U хар) значение коротковолновой границы X і метода калибровки определяют по выражению: По табличным данным на основании значения oi d для диапазона спектральной чувствительности ФЭП определяют коротковолновую границу X І , внутри которого выполняются условия калибровки. При переходе от режима OC-j- к режиму КЗ происходит смещение плоскости ЭИТ в направлении тыльного электрода во всем диапазоне спектральной чувствительности ФЭП,коротковолновой границей которого является \ t При переходе от режима КЗ к режиму OCg ( U QQ U а ) происходит дальнейшее смещение плоскости ЭИТ в направлении тыльного электрода в спектральном диапазоне чувствительности ФЭП,длиноволновая граница которого Аг определяется по формуле (I.3I). Значение длиноволновой границы А-г спектрального диапазона чувствительности ФЭП, в котором осуществляется калибровка, зависит от значения напряжения смещения \JocZ Для П с высокоомной подложкой, для которых значителен рост ширины р-п - перехода при росте обратного смещения по сравнению с глу-. биной проникновения излучения, а также для ФЭП с глубоко залегающим р-п - переходом, тонких подложек (пленочные ФЭП менее 100 мкм), слабым эффектом Пельтье на тыльном электроде (например, ФЭП из кремния, тыльная сторона которого-электронный полупроводник в контакте с металом, для которых характерно -ft 0,02 эВ), длиноволновая граница метода калибровки находится в ПК области спектральной чувствительности. Используемый в рассматриваемом варианте параметр - Uxcxp [характеристическое напряжение обратного смещения определяется выражением Uxap i yy C ) " не зависит от уровня мощности и энергии излучения. Качественное определение этого параметра состоит в том, что для ФЭП существует такое значение напряжения смещения (обратное), при котором электрическая мощность, рассеиваемая в объеме ФЭП от внешнего источника,равна поглощенной мощности излучения (это в равной степени относится и к энергии), и в диапазоне линейности ФЭП характеристическое напряжение имеет постоянное значение. В выражении для характеристического напряжения основными параметрами являются длина волны измеряемого монохроматического излучения и квантовая эффективность ФЭП на этой длине волны.
После того,как фототермоэлектрическим компаратором согласно выше описанному методу, проведено измерение мощности излучения (1.44), осуществляется калибровка абсолютной [7] спектральной чувствительности ФЭП (например, в фотовольтаическом режиме работы). Для ФЭП в условиях короткого замыкания справедлива формула калибровки чувствительности:
Анализ диссипативных процессов в преобразователе при последовательном переходе от режима короткого замыкания, через реперный-оптимальной нагрузки к режиму холостого хода
Основные экспериментальные исследования направлены на подтверждение справедливости формул,полученных для инженерного расчета и оценок значений остаточной неэквивалентности компари-рования.
Экспериментальные исследования позволили определить степень корреляции в пространстве и времени оптического и электрического взаимодействий, что обеспечивает самосогласование ком-парирования энергетических параметров с прогнозируемой предельно высокой эквивалентностью.
Эксперимент по определению направления перемещения эффективной плоскости наведенных источников тепла в ФЭП по анализу перераспределения парциальных источников, обусловленных дисси-пативными процессами в режимах работы ФЭП: обратное смещение, короткое замыкание и вспомогательный режим - прямое смещение. Эксперимент проводился на устройстве, схема которого представлена на рис. 3.
Для ФЭП малой толщины cL 0,5 мм и менее, включая пленочную конструкцию (интенсивно развивающееся, перспекривное направление), с минимальной глубиной залегания р-п - перехода со = 500-2000А, использование р-п типа фотопреобразователя для кремниевого материала (это обеспечивает минимальный по интенсивности эффект Пельтье на тыльном электроде) обеспечивает по данным теоретических оценок значение неэквивалентности преобразования в фототермоэлектрическом компараторе отличное от единицы в шестом-седьмом знаках. Для ФЭП с параметрами cL =1,5мм, ю 3 мкм, (п-р типа) значение теор. оценок неэквивалентности преобразования отличается от единицы в пятом-шестом знаках, Поскольку в условиях калибровки ФЭП по всем параметрам (коэффициент отражения, уровень шума индикатора температуры, нелинейность индикатора, нестабильность оптического и электрического источников и т.д.) контролируемый параметр имеет значение близкое по сравнению со случайной погрешностью, обусловленной перечисленными факторами. Поэтому созданы две экспериментальные установки по определению неэквивалентности компарирования, в которых созданы специальные условия по стабилизации чувствительности индикатора температуры и по искусственному увеличению коэффициента неэквивалентности преобразования.
Схема первой экспериментальной установки (рис. 3) имеет замкнутый термостатированный объем (пассивная термостабилизация), разделенный на две термоизолированные камеры. Учитывая то обстоятельство, что значение неэквивалентности преобразования зависит от условий теплоотдачи на приемной поверхности, использовали ФЭП с приемной поверхностью 2x2 мм,лицевой металличес-кий электрод которого располагался по периметру припаивался к массивному медному теплоотводу, чем создавались условия интенсивной теплопередачи с облучаемой поверхности. Проводился также эксперимент по интенсификации теплоотдачи с использованием жидкого теплоносителя: воды, раствора борной кислоты и др., который составлял слой 2-3 мм и заполнял-., полость из меди, дном которой являлся собственно исследуемый ФЭП. Однако в последнем эксперименте с использованием жидкого теплоносителя, если коэффициент теплоотдачи и возрастал, то выявить его изменение оказалось практически трудным из-за интенсивного дрейфа всех контролируемых нами параметров, наложенного на шум возросшей амплитуды, однако,наложение сверху на поверхность стек-ляной пластины значительно улучшало шумовые характеристики,что требовало значительного усложнения конструкции и условий эксперимента.
Необходимо отметить, что с целью повышения чувствительности индикатора температуры использовались вместо хромель-копелевых и медь - константановых термопар кремниевые термобатареи и точечные полупроводниковые терморезисторы. Наилучшие результаты с точки зрения повышения чувствительности показали термисторы.
Схема второй установки (которая иссследовалась раньше всех, и на основе учета ее недостатков и была создана основная, которая описана выше) представляет собой фотопреобразователь, окруженный практически со всех сторон теплоизолирующим материалом. С тыльной стороны ФЭП присоединен индикатор температуры, который представляет собой тонкую хромель-копелевую термопару для регистрации градиента температуры между ФЭП и ядром пассивного термостата. Для этого варианта,близкого к условиям адиабатичности,характерен рост чувствительности в 2-3 раза при пропорциональном росте уровня шумов. Поэтому на фоне большой случайной погрешности низка достоверность результата измерений при возрастании технической сложности, связанной с ростом числа измерений.
Теоретические основы метода измерений спектральных коэффициентов отражений ЛК, совмещенных с интегрирующей сферой
Эксперименты по методу варьируемых параметров с использованием фототермоэлектрического компаратора проводились на двух моделях (рис. 4); в первом варианте оба резистора замещения расположены вне фотоприемника, во втором один из резисторов вынесен вне фотоприемника, а роль другого выполняет фоторезистор р-п - перехода. Вариации граничных условий можно обеспечивать различными способами: вакуумировать окружающий объем компаратора и наоборот, увеличивая влажность и изменяя ориентацию компаратора, приближая теплоотводящий стержень и т.д. Нами исследованы обе модели с использованием способа вариации граничных условий, когда теплоотдача с облучаемой поверхности уменьшалась за счет приближения к облучаемой поверхности приемника прозрачной пластины из материала с низкой теплопроводностью (пластина из оргстекла). Для этого располагали пластину в первом случае (минимальной теплоотдачи) на поверхности, во втором - на расстоянии 10-20 мм над поверхностью приемного элемента. Для выбранного способа вариации граничных условий фототермоэлектрический компаратор представляет определенные удобства,. поскольку в нем сведены к минимуму оптические погрешности,всегда сопровождающие вариации граничных условий. Оптические погрешности, связанные с изменением значения спектрального коэффициента поглощения приемной поверхности и коэффициента пропускания теплоизолирующей прозрачной пластины, контролируются по величине тока короткого замыкания ФЭП, пропорционального поглощенной мощности излучения с учетом зонной неоднородности чувствительности.
Первая модель с двумя внешними по отношению к фотоприемнику резисторами замещения имеет ту особенность, что наряду с мощностью излучения допускает контроль коэффициентов эквивалентности преобразований по абсолютному значению электрической мощности.
Конструктивные параметры компараторов . Кремниевый приемный элемент размером 10x10 мм-. В качестве резисторов замещения применялись тензорезисторы 6x6 мм, слюдяная подложка которых имеет размеры 10x10 мм. Значение коэффициента эквивалентности преобразования определялось по формуле:
Помимо результатов прямой проверки, подтверждением высокой степени эквивалентности преобразования (до величины, ограниченных разрешающей способностью регистрирующей аппаратуры) фототермоэлектрического компаратора является равенство выходных сигналов термочувствительного элемента, обусловленных оптическим нагревом и электрическим замещением по ФЭП при вариации граничных условий на облучаемой поверхности.
Из анализа соотношений (2.12) - (2.14) и экспериментальных данных следует, что нелинейность чувствительности собственно термоэлектрического преобразователя на значение эквивалентности преобразования влияния не оказывает, если выполняется условие, когда замещение электрической мощностью происходит на уровне измеряемой мощности излучения. Вне диапазона линейности компаратора, при увеличении значений энергетических параметров эквивалентность преобразования непрерывно растет. Помимо того, что в диапазоне линейности (где значение КП определять достаточно в одной точке) компаратор инвариантен к параметрам термоэлектрического преобразователя, в выражении для эквивалентности преобразования не участвуют геометрические и теплофизические характеристики всех конструктивных элементов со стороны резистора замещения. Это обстоятельство свидетельствует о том, что параметр - эквивалентность преобразования более стабильный и воспроизводимый нежели чувствительность, а также все мероприятия по уменьшению значения эквивалентности преобразования с использованием указанных характеристик положительного результата не дают.
2М. При решении теплофизических задач с управляемым по объему ФЭП источником, обусловленным эффектом Пельтье, было определено, что изменение граничных условий на любой части поверхности ФЭП, тепловой поток с которой регистрируется, не влияет в диапазоне линейности теплофизических параметров на степень эквивалентности фототермоэлектрического компарирования. Благодаря этому факту, проверенному экспериментально, удалось составить систему уравнений, дополнив ее аналогичными уравнениями, полученными для других граничных условий (но тех,которые изменяют значение эквивалентности компарирования и удобные при использовании на практике), в результате решения которой получена формула и, как следствие, метод независимой калибровки. Метод варьируемых граничных условий справедлив не только для фототермоэлектрического компаратора, но и обобщен на компараторы типа черное тело, с одним дополнением: вместо управляв » мого за счет эффекта Пельтье источника, достаточно организовать дополнительный резистор замещения.
В результате экспериментальных исследований подтверждена правильность теоретической разработки метода варьируемых гранич ных условий и анализа погрешностей. Возможность прямой проверки (без сличения с эталоном) правильности теории метода заложена в самой основе метода варвируемых граничных условий по контролю коэффициента эквивалентности компарирования через абсолютные значения электрической мощности.
Метод варьируемых граничных условий обобщен на компараторы типа черное тело, в результате чего можно использовать его в качестве независимого метода калибровки.
С помощью метода варьируемых граничных условий подтверждена высокая степень эквивалентности фототермоэлектрического компарирования, значение которой определено с точностью, ограниченной разрешающей способностью регистрирующей аппаратуры термо электрической ветви компаратора (до единиц пятого знака).
