Способ измерения интенсивности ультрафиолетового излучения солнца и устройство для его осуществления - RU2184354C1
Код документа: RU2184354C1
Чертежи
Описание
Изобретение относится к оптоэлектронике, в частности к способу и устройству для измерения интенсивности ультрафиолетового излучения.
Данное устройство может быть использовано для измерения интенсивности ультрафиолетового излучения Солнца, в первую очередь, UVB-излучения, достигающего Земли, и может быть использовано для определения содержания озона в атмосфере.
Известен способ изготовления фотопреобразователя (патент США 4772335) на основе аморфного гидрогенизированного кремния, позволяющий сдвинуть спектральную область фоточувствительности в ультрафиолетовый диапазон в область длин волн 200-400 нм. Фотопреобразователь представляет собой p-i-n-структуру, полученную последовательным осаждением слоев a-Si: Н из газовой фазы с верхним и нижним электродом из диоксида олова на стеклянной подложке. Однако в данном способе невозможно выделить озоново-информативный диапазон с длиной волны 320 нм и менее, избавиться от шумового сигнала, обусловленного фоновым излучением с длиной волны более 320 нм, а также имеются сложности в технологии.
Известен способ получения ультрафиолетового преобразователя (патент РФ 2034372), в котором в качестве подложки используют неорганический полупроводник - арсенид галлия, на который наносят слой органического полупроводника - металлфталоцианина СuРс. Использование фталоцианина меди позволяет улучшить фоточувствительность преобразователя в области 200-400 нм по сравнению с исходной фоточувствительностью арсенида галлия. Фотопреобразователь на основе гетероперехода арсенид галлия - фталоцианин меди является широко диапазонным, его спектральная чувствительность лежит в интервале 200-1100 нм с максимумом спектральной чувствительности вблизи 600 нм, то есть в видимом диапазоне. Поэтому для селективного выделения UVB-излучения Солнца он также непригоден.
Известен также измеритель интенсивности светового излучения (патент РФ 2111461), содержащий приемник излучения и регистрирующее устройство. Приемник излучения выполнен на основе того же гетероперехода из арсенида галлия и фталоцианина меди. Фотоприемник обладает спектральной фоточувствительностью в диапазоне длин волн 200-1000 нм, поэтому так же функционально непригоден для выделения озоново-информативного диапазона с длиной волны λ≤ 320 нм в спектре Солнца на фоне громадных шумов UVA-излучения, излучения видимого диапазона и инфракрасного излучения Солнца, достигающего земли.
Известен способ измерения ультрафиолетового излучения (заявка на изобретение России 97113711), в котором излучение принимают, преобразуют в электрический сигнал, измеряют параметры этого сигнала и индицируют результаты измерения. Перед фотопреобразованием осуществляют спектрально зависимое корригирование принимаемого излучения в области 280-440 нм в соответствии с заданной мерой для измерения, которая определяется кривой относительной спектральной эффективности, соответствующей кривой относительной ультрафиолетовой эффективности излучения Direct Pigmentation, a само измерение осуществляют в эффективных единицах, определеляемых той же мерой. Устройство для реализации этого способа содержит входной оптический блок, фотопреобразователь, измерительный блок и блок индикации - жидкокристаллический дисплей, в котором перед фотоприемной площадкой фотопреобразователя на основе аморфного гидрогенизированного кремния на подложке из монокристаллического кремния дополнительно расположен корригирующий фильтр. Однако в данном способе и устройстве невозможно осуществить селективное выделение излучения с длиной волны в интервале 280-320 нм, которое единственно однозначно связано с содержанием озона в атмосфере. Также способу и устройству присущ интегральный и сравнительный характер результатов измерений, осуществляемых на основе эффективных единиц произвольно задаваемых мер измерения, исключающий возможность измерения интенсивности ультрафиолетового излучения в абсолютных единицах.
В основу изобретения положена задача создания способа измерения интенсивности ультрафиолетового излучения Солнца и устройства для его осуществления с таким его выполнением, которое позволило бы селективно измерить UVB-излучение.
Поставленная задача решается тем, что в способе измерения интенсивности ультрафиолетового излучения, заключающемся в том, что прямое неослабленное излучение Солнца принимают, подвергают преобразованию в электрический сигнал, измеряют параметры электрического сигнала и индицируют результаты измерения, согласно изобретению, дополнительно осуществляют селективное выделение UVB-компоненты солнечного излучения с длиной волны 320 и менее нанометров и подавление шумов, обусловленных фоновым излучением UVA, видимого и инфракрасного диапазонов.
Селективное выделение UVB-компоненты осуществляют эталонной физической средой, спектральная характеристика поглощения которой в UVB-диапазоне идентична спектральной характеристике оптического поглощения озона и связана с спектром пропускания солнечного излучения атмосферой в UVB-диапазоне.
В качестве эталонной физической среды используется кристалл природного алмаза с оптически активным центром, которым является нескомпенсированный А-дефект, фотоионизация которого обеспечивает селективную фоточувствительность в диапазоне длин волн 280-320 нм, причем энергетическое распределение концентрации А-дефектов в запрещенной зоне воспроизводит в форме фотоотклика спектральную характеристику оптического поглощения ультрафиолетового излучения озоном, которая однозначно связана со спектром пропускания солнечного излучения атмосферой в этом же оптическом диапазоне.
Для подавления паразитных фототоков, обусловленных фоновым, видимым и инфракрасным излучением, кристалл природного алмаза подвергают термообработке в вакууме, способствующей исчезновению дефектов структуры - вакансий углерода, фотоионизация которых приводит к возникновению паразитных фототоков.
Также поставленная задача решается тем, что в устройстве для измерения интенсивности ультрафиолетового излучения Солнца, содержащем входной оптический блок с оптическим окном, пропускающим ультрафиолетовое излучение, фотопреобразователь, аналого-цифровой преобразователь и жидкокристаллический дисплей, соединенные между собой, согласно изобретению, фотопреобразователь выполнен из кристалла природного алмаза с оптически активным центром, которым является нескомпенсированный А-дефект, причем на поверхности кристалла сформированы две идентичные фоточувствительные площадки с омическими электродами, над одной из которых расположен отрезающий оптический фильтр с крутизной характеристики по пропусканию на длине волны 320 нм не ниже 60%/нм, при этом устройство дополнительно содержит блок формирования преобразуемого электрического сигнала, вход которого соединен с выходом входного оптического блока, а выход соединен с входом аналого-цифрового преобразователя, а также устройство содержит блок формирования рабочего напряжения, один выход которого соединен с входным оптическим блоком и блоком формирования преобразуемого электрического сигнала, а другой выход соединен с входом "напряжение питания" аналого-цифрового преобразователя.
Данное изобретение позволяет измерять интенсивность онкологически опасного UVB-иэлучения Солнца и определять содержание озона в атмосфере.
В дальнейшем
изобретение поясняется конкретным примером выполнения и чертежами, на которых:
фиг. 1 изображает блок-схему устройства для измерения интенсивности ультрафиолетового
излучения Солнца, согласно
изобретению;
фиг.2 изображает входной оптический блок, вид сбоку, согласно изобретению;
фиг. 3 изображает входной оптический блок, вид сверху, согласно
изобретению;
фиг.4
изображает принципиальную электрическую схему устройства для измерения интенсивности ультрафиолетового излучения Солнца, согласно изобретению.
Способ измерения интенсивности ультрафиолетового излучения Солнца заключается в том, что прямое не ослабленное излучение Солнца принимают, подвергают преобразованию в электрический сигнал, измеряют параметры электрического сигнала и индицируют результаты измерения. При этом дополнительно осуществляют селективное выделение UVB-компоненты солнечного излучения с длиной волны 320 нм и менее и подавление шумов, обусловленных фоновым излучением UVA, видимого и инфракрасного диапазонов.
Известно, что вакуумное ультрафиолетовое излучение Солнца поглощается в нижней термосфере и мезосфере Земли молекулами кислорода, которые, поглощая вакуумные ультрафиолетовые фотоны, диссоциируют на атомы. Более длинноволновое излучение, 200-320 нм поглощается стратосферным озоном. Полоса поглощения (полоса Гартли) имеет максимум вблизи 256 нм. Поэтому поверхности земли достигает только длинноволновая часть ультрафиолетового излучения в диапазоне 290-320 нм. Поток PS фотонов солнечного излучения в этом диапазоне приблизительно постоянен и составляет за пределами атмосферы РS≈8•1013 фотон/см2с•нм, что отвечает полному потоку Р в UVB-диапазоне Р≈2,4•1015фотон/см2с, и удельной мощности WS солнечного UVB-излучения WS~1,6 мBт/см2, что менее 1, 2% от солнечной постоянной, равной 1,39 кВт/ м2.
Измеряемая мощность W UVB-излучения, несущая информацию о факторе и других воздействиях на биологические объекты:
где I(λ) - зависимость спектральной плотности оптической мощности UVB-излучения Солнца (Вт/см2•нм) от длины волны, составляет менее 0,4% от общей оптической мощности солнечного излучения, достигающего земли.
Поэтому измерение мощности UVB-излучения традиционным способом - например, с помощью фотопреобразователей на основе традиционных материалов сталкивается со следующими трудностями.
Ширина запрещенной зоны для фотополупроводников в эффектах проводимости не является таким же фундаментальным понятием, как работа выхода для фотокатодов, и не является "красной границей" фотопроводимости. Энергетические уровни в запрещенной зоне обусловливают дополнительный шумовой сигнал. Традиционные полупроводники - InP, GaP, GaAs, CdS, Si и другие обладают максимальной фоточувствительностью именно в области шума фонового излучения, то есть в области ультрафиолетового А и видимого диапазона, поэтому для измерения интенсивности UVB-излучения непригоден.
Использование корригирующих фильтров непродуктивно, поскольку их материалы обладают низкой оптической прочностью и не могут работать в прямых солнечных лучах. Спектральная характеристика традиционных материалов, равно как и спад оптического пропускания корригирующего фильтра сильно смещены в длинноволновую область. Это обстоятельство может полностью обесценить способ измерения, поскольку спектр излучения Солнца в UVB-области обладает очень большой крутизной dw/dλ ≈ 50 мкВт/нм. Поэтому смещение в UVA-область только на 1 нм (т.е. до λ = 321 нм) приводит к погрешности до 25% от всей интенсивности излучения Солнца в UVB-диапазоне, достигающего Земли.
В данном способе спектр абсолютной токовой фоточувствительности устройства повторяет спектр поглощения озона, описываемый
спектральной характеристикой
α = α0
exp(-λ/λ0), (2)
где α - коэффициент поглощения озона, характеристическая постоянная
λ0 ≈ 7,5 нм. Таким образом зависимость
α(λ) ≈ Si(λ), (3)
где Si(λ) - спектральная характеристика
токовой чувствительности устройства, реализующего данный способ.
Селективное выделение UVB-излучения осуществляют эталонной физической средой, спектральная характеристика поглощения которой в UVB-диапазоне идентична спектральной характеристике оптического поглощения озона и связана с спектром оптического пропускания атмосферы в UVB-диапазоне.
Природный алмаз с большим содержанием А-дефектов обладает в диапазоне длин волн 280-320 нм спектром оптического поглощения практически совпадающим с спектром оптического поглощения озона, то есть мог бы служить эталонной физической средой для метрологии оптического поглощения озона, включая определение его содержания в атмосфере. Однако для создания фотопреобразователей подавляющее большинство природных алмазов непригодны, так как фототок в этой оптической области отсутствует. А-дефекты скомпенсированы другими дефектами и не содержат электронов, способных к фотоионизации, фототок определяется излучением других оптических диапазонов и обусловлен нежелательным шумом фонового излучения.
Ввиду уникальности Солнца, как источника оптического излучения, у которого интенсивность излучения с длиной волны в UVB-диапазоне изменяется на несколько порядков, оптимальным решением является использование в качестве материала для фотопреобразователя эталонной физической среды, спектр поглощения которой идентичен спектру поглощения озона, и формирование в этой среде спектра фототока, коррелирующего с спектром поглощения. В качестве эталонной оптически поглощающей физической среды использованы специально отобранные кристалл природного алмаза с оптически активным центром, которым является нескомпенсированный А-дефект, фотоионизация которого обеспечивает селективную фоточувствительность устройства в диапазоне длин волн 280-320 нм, причем энергетическое распределение концентрации А-дефектов в запрещенной зоне воспроизводит в форме фотоотклика спектральную характеристику оптического поглощения ультрафиолетового излучения озоном, которая однозначно связана с спектром пропускания солнечного излучения атмосферой в этом же оптическом диапазоне. Для подавления паразитных фототоков, обусловленных фоновым видимым и ИК-излучением, кристалл природного алмаза подвергают термообработке в вакууме, способствующей исчезновению дефектов структуры - вакансий углерода, фотоионизация которых и приводит к возникновению паразитных фототоков.
На фигуре 1 изображена блок-схема устройства для измерения интенсивности ультрафиолетового излучения Солнца, содержащего входной оптический блок 1 (фиг. 1), выходы которого соединены со входами блока 2 формирования преобразуемого электрического сигнала. Выходы блока 2 формирования преобразуемого электрического сигнала соединены с соответствующими входами аналого-цифрового преобразователя 3. Также устройство содержит жидкокристаллический дисплей 4, соединенный с аналого-цифровым преобразователем 3. В устройстве имеется блок 5 формирования рабочего напряжения, выход которого соединен со входом входного оптического блока 1 и аналого-цифровым преобразователем 3. Во входной оптический блок 1 (фиг.2) монтируют фотопреобразователь 6, его приклеивают к нижней детали корпуса 7, термокомпрессией или пайкой подсоединяют электрические выводы 8 к электродам 9 фотопреобразователя и к колкам нижней детали корпуса 7 и приваривают верхнюю деталь корпуса 7, в которую предварительно вклеено оптическое окно 10 из кварца или ульвиолевого стекла (или другого материала, прозрачного для ультрафиолетового излучения) и отрезающий акриловый оптический фильтр 11, перекрывающий одну из двух фоточувствительных площадок 12 (на фиг.3 отмечен точечной штриховкой), сформированных на поверхности фотопреобразователя 6 (фиг.2) и тем самым единообразно фиксирующий красную границу излучения λ = 320 нм, принимаемого и измеряемого устройством. Фильтр 11 имеет крутизну характеристики по пропусканию на длине волны 320 нм не ниже 60%/нм. Фотопреобразователь 6 выполнен из кристалла природного алмаза с оптически активным центром, которым является нескомпенсированный А-дефект. А-дефекты могут служить центрами фотоионизации при условии, что они не скомпенсированы B1 и В2 - дефектами.
Кристаллы природного алмаза с нескомпенсированным А-дефектом (глубоким донором) отбирают по известным методикам с измерением спектров оптического поглощения с расчетом концентраций основных азотсодержащих дефектов А, B1, В2 (см. Г.Б. Бокий и др. Природные и синтетические алмазы. М.: Наука, 1986), причем для концентрации N азота в форме упомянутых дефектов в отобранных кристаллах должно выполняться условие: NA>NВ2>NB1.
Далее кристаллы подвергают термообработке в вакууме для отжига собственных дефектов - вакансий углерода (глубокий акцептор), обусловливающих паразитный фототок, стимулированный фоновым излучением.
На поверхность кристалла наносят слой серебра (напылением, втиранием или вжиганием серебросодержащей пасты), являющегося омическим электродом 9. Далее технологическим лазером вскрывают металлизацию и формируют две фоточувствительные площадки 12 (фиг.3) на алмазе, идентичные по размерам.
Таким образом изготавливают двухэлементный фотопреобразователь 6 (фиг. 2), который обладает в UVB-диапазоне спектральной характеристикой фототока I ~ exp(-λ/λ0), крутизна которой определяется распределением концентрации А-дефектов по энергии в запрещенной зоне алмаза NA ~ехр (-Е/Е0), в интервале энергии фотонов 3,86-4,26 эВ, отвечающем самому коротковолновому излучению Солнца, достигающему земли, совпадает с крутизной характеристики (2), чем и обеспечивается выполнение условия (3).
На фигуре 4 представлена принципиальная электрическая схема устройства.
Электрический вход оптического блока 1, являющийся общим для обеих фоточувствительных площадок 12, шиной 13 питания подключен к блоку 5 формирования рабочего напряжения. Фоточувствительная площадка 12 фотопреобразователя 6, расположенная под отрезающим фильтром 11 (на фиг.4 взята в пунктирный квадрат), вторым концом соединена с первым выводом высокоомного резистора 14, разделительным конденсатором 15 и токоограничивающим резистором 16. Второй конец резистора 14 соединен со вторым выводом конденсатора 15. Второй вывод резистора 16 подключен к отрицательной клемме аналогового входа аналого-цифрового преобразователя 3. Вторые концы резистора 14 и конденсатора 15 соединены между собой и с первым концом переменного резистора 17, служащего для установки нуля перед измерением. Второй конец переменного резистора 17 через токоограничивающий резистор 18 подключен к шине питания 13. Плавающий контакт переменного резистора 17 подключен к входу аналого-цифрового преобразователя 3.
Вторая фоточувствительная площадка 12 фотопреобразователя 6 вторым концом соединена с первым выводом высокоомного резистора 19, с первым выводом токоограничивающего резистора 20 и с первым выводом разделительного конденсатора 21. Второй конец высокоомного резистора 19 соединен с плавающим контактом переменного резистора 22, который служит для регулировки чувствительности устройства. Первый конец резистора 22 подключен через токоограничивающий резистор 23 к шине 13 питания, второй конец резистора 22 подключен к входу аналого-цифрового преобразователя 3. Второй конец резистора 20 подключен к положительной клемме аналогового входа аналого-цифрового преобразователя 3. Разделительный конденсатор 21 вторым концом подключен к переменному резистору 17, а также к третьему входу аналого-цифрового преобразователя 3. В качестве аналого-цифрового преобразователя 3 может быть использован стандартный аналого-цифровой преобразователь, например, типа КР572ПВ 5 (см. технические условия "бКО.348.432-07 ТУ") или его аналог, например, ICL 7126 (см. Date Book ф MAXIM, 1989 и последующие г.г.). Выходы аналого-цифрового преобразователя 3 подсоединены ко входам стандартного жидкокристаллического индикатора 4, например, ИЖЦ 21-4/7 или подобного ему (см., например, Н.В. Пароль, С. А. Кайдалов. Знакосинтезирующие индикаторы и их применение. М.: Радио и связь, 1988), который регистрирует результаты измерений интенсивности излучения.
Блок 5 формирования рабочего напряжения представляет собой автогенератор с трансформаторной обратной связью на одном транзисторе 24. Коллектор транзистора 24 соединен с шиной 13. К первой клемме батареи 25 (например, стандартной батареи 12 В типа 23А) через ключ 26, служащий общим выключателем устройства, подсоединена вторичная обмотка трансформатора 27, разделительные конденсаторы 28, 29, токоограничивающий резистор 30 и шина 31 питания аналого-цифрового преобразователя 3. Второй конец резистора 30 соединен со вторым концом конденсатора 29 и подключен к первичной обмотке трансформатора 27. Второй вывод первичной обмотки трансформатора 27 подсоединен к базе транзистора 24.
Вторая клемма батареи 25 соединена со вторым концом разделительного конденсатора 28, эмиттером транзистора 24 и разделительным конденсатором 32. Второй конец конденсатора 32 подсоединен к шине 13 питания. Общая точка соединения коллектора транзистора 24 и второго вывода вторичной обмотки трансформатора 27 подключена к диодному выпрямителю 33. Аналого-цифровой преобразователь 3, эмиттер транзистора 24 подключены к шине 34 заземления.
Устройство для измерения интенсивности ультрафиолетового излучения Солнца работает следующим образом.
Сформированное постоянное рабочее напряжение 80 В через шину 13 подается на электрический вход оптического блока 1. Фототоки Iп и Iр (показаны стрелками на фиг.4) с двух выходов оптического блока 1 поступают на вход блока 2. Сформированные в блоке 2 сигналы для измерения и цифрового преобразования поступают в преобразователь 3. Выходы преобразователя 3 соединены с дисплеем 4, который регистрирует результаты измерений интенсивности излучения.
После того, как переменными сопротивлениями 22, 17 выбрана нужная чувствительность измерений и установлен "нуль" в последнем разряде дисплея 4 включенное устройство направляют входным оптическим окном 10 (фиг.2) в направлении Солнца. Излучение Солнца, принимаемое фотопреобразователем 6 с двумя идентичными фоточувствительными площадками 12 (фиг.3), преобразуется в два фототока Iр и In (фиг.4). Фототок Iр ("полный фототок") возникает в фоточувствительной площадке 12, находящейся только под оптическим окном 10 (фиг.2). Второй фототок In ("шумовой фототок") возникает во второй фоточувствительной площадке 12, расположенной под отрезающим оптическим фильтром 11 и оптическим окном 10. Фототоки Iр и In создают падение напряжения на высокоомных сопротивлениях 19, 14 (фиг.4). При этом номинал сопротивления 14 выбирают таким, чтобы скомпенсировать заниженное значение фототока In, вследствие частичного поглощения шумового излучения отрезающим фильтром 11 (фиг.2), которое известно. Разность падений напряжения на сопротивлениях 19, 14 измеряется аналого-цифровым преобразователем 3 и регистрируется на дисплее 4 в единицах мкВт/см2 в зависимости от предварительной калибровки. Определение содержания озона в атмосфере можно осуществить по известной корреляции между интенсивностью UVB-излучения и содержанием озона в единицах Добсона (1 D = 0,01 мм высоты столбика озона при нормальном его давлении). Например, если известно, что изменение содержания озона на 1D приводит к возрастанию интенсивности UVB-излучения на 0,6 мкВт/см2 ( Seckmeyer P.S., McKenzie R.L. Nature, vol. 359, 10. IX. 1992, р. 135-137), то шкалу дисплея 4 в принципе можно проградуировать в единицах Добсона.
Таким образом данное изобретение позволяет измерять UVB-излучение Солнца.
Реферат
Изобретения относятся к области оптоэлектроники и могут быть использованы для измерения интенсивности ультрафиолетового излучения. Способ заключается в том, что принимают прямое неослабленное излучение Солнца, подвергают его преобразованию в электрический сигнал, измеряют параметры электрического сигнала, регистрируют результаты измерения. Дополнительно осуществляют селективное выделение UVB-компоненты солнечного излучения с длиной волны 320 нм и менее и подавление шумов фонового излучения UVA, видимого и инфракрасного диапазонов. Устройство для осуществления данного способа содержит соединенные между собой входной оптический блок, блок формирования преобразуемого электрического сигнала, аналого-цифровой преобразователь, жидкокристаллический дисплей, блок формирования рабочего напряжения. Входной оптический блок имеет оптическое окно-фотопреобразователь из кристалла природного алмаза с оптически активным центром, которым является нескомпенсированный А-дефект. На поверхности кристалла сформированы две идентичные фоточувствительные площадки с омическими электродами, над одной из которых расположен отрезающий оптический фильтр. Техническим результатом изобретений является возможность селективного измерения UVB-компоненты излучения. 2 с. и 3 з.п. ф-лы, 4 ил.
