Диссертация (1143140), страница 26
Текст из файла (страница 26)
Именнопараметр S11 пропорционален интенсивности рассеянного поля в случае неполяризованногоисточника света. Наличие пульсаций объясняется интерференцией рассеянной и падающейоптических волн.Рис. 4-3. Зависимость значения элемента S11 матрицы рассеянияот длины волны оптического излучения.130Зависимость значения элемента S11 матрицы рассеяния одной частицы от угла рассеянияпри различных длинах волн оптического излучения представлены на рисунке 4-4.Рис.
4-4. Зависимость значения элемента S11 матрицы рассеянияодной частицы от угла рассеянияРассеяние света аэрозольными частицами имеет интерференционный характер,интенсивность рассеянного поля в направлении вперед примерно в 100 раз превышает еевеличину в обратном направлении и убывает с увеличением длины волны оптическогоизлучения и угла рассеяния.Рассеянное излучение регистрируется фотодетектором, расположенным в дальней зонена расстоянии R от частицы.
Фотодетектор коллимирован по отношению к падающемусвету и имеет площадь Sd (ориентированную по нормали к er) достаточно малую, так чтоинтенсивность Is почти не меняется в пределах приемника. Для определения спектральнойплотности мощности рассеянного поля, падающего на фотодетектор, необходимо провестиинтегрирование интенсивности Is в телесном угле Sd R 2 , под которым из центра частицывидна фоточувствительная площадка фотодетектора.
Тогда спектральная плотностьмощности рассеянного поля на фотодетекторе131P ( ) P0 ( ) I s ( , )d P0 ( ) S11 2 rd2,4 R 4(4.10)где P0 ( ) - спектральная плотность мощности источника оптического излучения вдетекторе МоЯК. Для расчетов приняты следующие значения: радиус светочувствительнойплощадки фотодетектора rd = 1 см, расстояние до фотодетектора R = 10 см. Соответственнотелесный угол Ω = 0.0314 рад. Расчеты проводились для случая неполяризованного света,результаты представлены на рис. 4-5 и 4-6.Рис. 4-5.
Зависимость мощности рассеянного поля, падающего на фотодетектор,от длины волныРис. 4-6. Зависимость мощности рассеянного поля, падающего на фотодетектор,от угла рассеянияЗависимость мощности рассеянного поля, падающего на фотодетектор, от длины волны иугла рассеяния представлена на рис. 4-7.132Рис. 4-7. Зависимость мощности рассеянного поля, падающего на фотодетектор, от длиныволны и угла рассеянияВ качестве осветителей фотометрируемого объема фотометра используются светодиоды,лазеры или лампы накаливания. Светодиоды имеют преимущество перед лазерами поравномерности потока освещения, перед лампами накаливания – по энергоэффективности.Таким образом, предпочтение остается за светодиодами.
Мощные осветительные светодиодыизготавливаются в трех различных конструкциях: face-up, вертикальной и flip-chip [156].Принципиально важным при конструировании светодиодов является оптимизация растеканиятока и тепла в светодиодных (СД) чипах при предельно жёстких условиях их работы. В [A24]проведено сравнительное исследование тепловых характеристик, а также распределения токаи интенсивности электролюминесценции в InGaN/GaN светодиодах вертикальной и face-upконструкций.
Сравнение картин токорастекания и зависимостей теплового сопротивления оттока в мощных светодиодах различных конструкций: face-up, вертикальной и flip-chip [156]выявило, что СД конструкции face-up при больших нагрузках проигрывают двум другимконструкциям. СД вертикальной конструкции позволяют эксплуатацию при большихплотностях тока без особого влияния на ресурс и ухудшение энергетических свойств в связис более однородным распределением плотности тока по площади кристалла.Наилучшие результаты по чувствительности газоанализатора на МоЯК к детектируемымвеществам можно получить при использовании в фотометре яркого белосветногосуперлюминесцентного светодиода. Спектральная характеристика таких светодиодов имеетярко выраженный максимум в области излучения сине-фиолетового цвета и её удаетсяаппроксимировать полиномом 12-той степени с коэффициентами по убыванию степени в133мкм:P0 ( ) 1013 0.043745503944156 12 - 0.310229880083148 11 (4.11)1.005239154291580 10 1.967960472618958 9 2.592403236799340 8 2.420757424974991 7 1.643012709180685 6 0.816656980141273 5 0.295023132506219 4 0.075542016754531 3 0.013013409560701 2 0.001354139506679 0.000064366278632)Спектральнаяплотностьмощностиизлученияодноваттногобелосветногосуперлюминесцентного светодиода P0 ( ) представлена на рис.
4-8.Рис. 4-8. Спектральная плотность мощности излучения светодиодаСпектральная плотность мощности рассеянного излучения, падающего на фотодетектор,при использовании белого светодиода P ( ) представлена на рис. 4-9.Рис. 4-9. Спектральная плотность мощности рассеянного излучения, падающего нафотодетектор, при использовании белого светодиода134Окончательно, интегральную мощность, регистрируемую фотодетектором, получаеминтегрированием спектральной плотности мощности рассеянного поля по длине волныоптического излучения2Pint P ( )d ,(4.12)1где λ1 = 0.43 мкм, λ2 = 0.7 мкм – значения длин волн, в диапазоне которых действуетаппроксимациясветодиода.спектральнойЗависимостьхарактеристикиинтегральнойбелосветногомощностиPintсуперлюминесцентногорассеянногоизлучения,регистрируемого фотодетектором с радиусом светочувствительной площадки rd =1 см нарасстоянии R = 10 см, от угла наблюдения фотодетектора (совпадает с углом рассеяния врасчетах) представлены на рис.
4-10 для радиусов аэрозольных частиц 0.23, 0.3 и 0.37 мкм. Изхарактера зависимостей в идеале следует целесообразность изготовления фотометров вгазоанализаторах на МоЯК с углом приема рассеянного излучения не более 10º.Рис. 4-10. Зависимость интегральной мощности рассеянного излучения, падающего нафотодетектор, от угла рассеянияОднако в реальности дело обстоит таким образом, что минимально измеримаяфотометром концентрация аэрозольных частиц лимитируется не столько интенсивностьюпопадающего на ФПУ рассеянного аэрозольными частицами света, сколько отношением этойинтенсивности к величине засветки ФПУ за счет релеевского рассеяния газовой компонентыаэрозоля и паразитной засветки ФПУ светом, рассеянным элементами (стенками, световымиловушками и шторками) аэрозольной камеры фотометра.
Осуществить наблюдения под углом10 можно только с очень длиннофокусной оптикой. Поэтому компромиссным являетсязначение угла θ = 40 ÷ 45, что обеспечивает достаточную мощность рассеянного однойчастицей света и достаточно малое значение паразитной засветки фотоприемного устройства.135Таким образом, в результате расчетов выявлено:1.
В результате физико-химических воздействий на молекулы детектируемого веществаобразуется монодисперсный аэрозоль с размерами частиц 0.23 ÷ 0.25 мкм, светорассеяниеодной частицы которого имеет интерференционный немонотонный характер.2. Интенсивность рассеянного поля в направлении вперед значительно (примерно в 100раз) превышает величину интенсивности в обратном направлении и убывает с увеличениемдлины волны оптического излучения и угла светорассеивания.3. Минимально измеримая фотометром концентрация аэрозольных частиц лимитируетсяинтенсивностью фоновой паразитной засветки фотоприемного устройства нефелометрасветом, рассеянным элементами (стенками, световыми ловушками и шторками) аэрозольнойкамеры фотометра. Экспериментально определено компромиссное значение угла рассеянияθ = 40 ÷ 45, который обеспечивает достаточную мощность рассеянного одной частицей светаи достаточно малое значение паразитной засветки фотоприемного устройства.4.3 Расчет светорассеяния воздухом на основе теории РелеяНаряду со светорассеянием аэрозольными частицами, в фотометре нефелометрическоготипа детектора МоЯК происходит светорассеяние на молекулах газа-носителя, в качествекоторого используется воздух.
Светорассеяние воздухом в фотометрируемом объеменефелометра определяет фон, над которым необходимо регистрировать светорассеяниеаэрозольными частицами.Рассеяние света в воздухе впервые было исследовано Релеем в 1871 году. К настоящемувремениформулыРэлеяуточненыинаходятсявхорошемсоответствиисэкспериментальными данными по рассеянию света в атмосфере. Для расчета рассеянногоизлучения Релей рассмотрел модель, в которой электроны заменены на линейныеосциллирующие диполи или группы диполей. Теория Релея применима только к частицам,размер которых много меньше длины волны падающего света и подходит для расчетасветорассеяния воздуха в фотометрируемом объеме нефелометра.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
