lazernaya_tekhnika_uchebnik (863459), страница 5
Текст из файла (страница 5)
Принцип его состоит в следующем. На нагрузку падаетизлучение, под действием которого температура нагрузки изменяется. Измеряя разность (изменение) температуры нагрузки по сравнению с температурой окружающей среды, можно определить энергию или мощностьпадающего излучения. Приборы, с помощью которых таким способомизмеряются энергетические параметры, называются калориметрами. Нагрузкой калориметра, как правило, являются устройства, представляющие собой модели черных тел, например, зачерненный внутри конус.
Ввершине конуса расположен датчик температуры, например, полупроводниковый болометр или термистор, сопротивление которого меняется приизменении температуры. Нагрузка может быть выполнена также в видесферы, заполненной беспорядочно уложенной изолированной проволокой, сопротивление которой меняется под тепловым действием излучения(рис. 1.5, а).
Существуют нагрузки в виде жидкостей и т.д.Обычно калориметры содержат две нагрузки, одна из которых находится под действием окружающей температуры, а на другую падаетизмеряемое излучение. Нагрузки должны быть идентичны. Для большей достоверности измерения проводят сначала с одной, а потом сдругой нагрузкой, т.е. их меняют местами. С помощью измерительногоприбора при этом измеряют не абсолютные значения температур нагрузок, а их разность, что значительно повышает точность измерений(рис.1.5, б). Перед измерениями установки калибруют, пропуская черезнагрузку ток определенной величины.Анализ работы калориметра может быть выполнен с помощьюупрощенного уравнения теплопроводности нагрузки:mcdT+αS ∆T =Φ, dt21(1.6)Ф(Q)Ф(Q)ТермисторСфераИзмерительныйконусПроволокааФ(Q)ИзмерительныйприборбРис.
1.5. Калориметры:а – устройство нагрузок; б – схема измерительной установкигде m – масса нагрузки; с – удельная теплоемкость; α – коэффициенттеплообмена нагрузки с окружающей средой; S – площадь поверхности, через которую происходит теплообмен; ΔТ – разность температурнагрузки и окружающей среды.Если измеряется непрерывное излучение, то достигается стационарный режим работы установки, при котором величина dT/dt равнанулю (нагрузка имеет некоторую постоянную температуру, бόльшую,чем температура окружающей среды). В этом случае αS ∆T =Φ , т.е., измеряя разность температур нагрузки и окружающей среды и зная α и S,можно измерить мощность падающего на нагрузку излучения.Если измеряется импульсное излучение, то нагрузка не успевает завремя действия импульса приобрести температуру окружающей среды.22В этом случае в формуле (1.6) αSΔТ = 0, и мы получаем mcкуда ∫ mcdT =∫ Φdtи mc (Tmax −T0 ) =Q или mc∆Tmax =Q.dT= Φ , отdtТаким образом, измеряя максимальное отклонение температурынагрузки, наблюдаемое в результате действия импульса излучения, изная величины m и c, можно найти энергию импульса.Основным недостатком калориметров являются сравнительно небольшие уровни измеряемых мощностей или энергий, так как нагрузка изменяет свои свойства или выходит из строя под действием мощного излучения.Механический способ измерения энергетических параметров основан на давлении света (излучения).
В этом случае на нагрузку направляетсяизлучение, под действием которого нагрузка оказывается под давлением.Величина давления измеряется, как правило, каким-нибудь косвенным образом, например, по закручиванию некоторой системы или изменению зазора между некоторыми телами и т.д. Нагрузка должна обладать высокойотражательной способностью, а измеряемое излучение – падать нормально к отражающей поверхности.
На рис. 1.6 представлена схема механического (пондеромоторного) измерителя энергии (мощности) излучения.Излучение, мощность (энергию) которого необходимо измерить,направляется нормально к зеркалу 2, которое вместе с симметричным ианалогичным зеркалом 2ʹ и контрольным зеркалом 3 подвешено на тонкой кварцевой нити 1 к крутильной головке 4. Под действием излучения нить закручивается. Для того, чтобы излучение падало нормальнок зеркалу (если измеряется непрерывное излучение), систему возвращают к прежнему положению с помощью крутильной головки. О том,4что система находится в первоначальном положении, судят поположению светового зайчика 6,создаваемого источником светаR15 на шкале 7. Отсчет в этом слу2чае (т.е. угол закручивания нити)3снимается по крутильной голов2ʹ5ке. Если измеряется импульсноеαизлучение, то определяется мак768симальный угол закручиванияРис.
1.6. Схема механическогонити под действием импульсаизмерителя мощности (энергии)излучения; отсчет снимается полазерного излучения23шкале 7 и световому зайчику. Все устройство помещено в вакуум, чтобы исключить действие воздуха и увеличить чувствительность системы. Анализ работы механического измерителя можно сделать, используя уравнение Эйнштейнаmc 2 = Q, (1.7)где m – масса тела; с – скорость света; Q – энергия.Применим это уравнение к фотону. Из (1.7) находим, что количество движения фотона равно:Qmc = Φ .cЕсли фотон падает на зеркало, а затем отражается от него (при условии нормального падения), то изменение его количества движенияравноQ2mc = 2 Φ .cТак как изменение количества движения равно импульсу силы, тоQΦ.cТаким образом, в результате действия фотона на зеркало действуетсилаQFΦ = 2 Φ .c∆tУмножая обе части этого равенства на число фотонов в излучении,получим выражение для силы, возникающей при действии излучения сэнергией Q = NQфQ.F =2c∆tТак как Q/Δt есть мощность излучения, то2mc= FΦ ∆t= 2ΦF =2 .cПри измерении непрерывного излучения угол закручивания нити(измеренный по крутильной головке) будет пропорционален этой силеи радиусу R и обратно пропорционален жесткости нити k:24ΦR.ckТаким образом, зная параметры измерительной установки и замеряяγ, можно измерить мощность падающего излучения.
При импульсном действии излучения угол закручивания (по световому зайчику) определяетсякак максимальный угол в результате действия импульса и будет пропорционален не силе, а импульсу силы, и обратно пропорционален корню квадратному из произведения жесткости нити и момента инерции системы:F ∆tR 2QRγ max ≈= .kJ c kJИтак, зная параметры системы и измеряя максимальный угол закручивания, можно определить энергию падающего излучения. Для измерения момента инерции системы в измерителе предусмотрен крючок 8.Основным недостатком механических измерителей является ихчувствительность к вибрациям.Фотоэлектрический способ измерения основан на использовании приемников излучения.
Известно, что ток (напряжение) на выходеприемника излучения прямо пропорционален мощности падающего начувствительную площадку излучения и чувствительности (токовой иливольтовой) приемника:(1.8)i = ΦSλ , где Sλ – спектральная (монохроматическая) чувствительность приемника.Значит, измеряемая мощность Ф = i/Sλ.При фотоэлектрических измерениях следует обратить особое внимание на то, что спектральная чувствительность Sλ должна быть известна для той длины волны, на которой происходят измерения.
Кроме того,прежде, чем снять отсчет, необходимо убедиться в том, что приемникработает в линейной зоне своей характеристики. В этом можно легкоубедиться, помещая перед приемником нейтральный светофильтр скратностью 2; отсчет должен при этом уменьшиться в два раза.Если величина спектральной чувствительности неизвестна, то ееможно определить экспериментально с помощью, например, лампы накаливания.
Определяя световой поток, падающий от лампы на чувствиES , здесь Е – освещенность,тельную площадку приемника, как ΦV =создаваемая лампой в плоскости чувствительной площадки приемника,а S – площадь чувствительной площадки), можно затем найти монохроматический поток по формуле:γ ≈225ΦV M λ ∆λ,Φ λ = 0,8683 ∫ M λVλ d λ(1.9)0,4где Mλ – относительная спектральная плотность мощности излучениялампы; Vλ – коэффициент относительной видности глаза; Δλ – ширинаполосы пропускания светофильтра.Расстояние от лампы до приемника должно быть не меньше десятикратного размера светящегося тела лампы (рис.
1.7). Интеграл в знаменателе формулы (1.9) вычисляется методом графического интегрирования.Если измеряемое излучение импульсное, то можно использоватьследующую схему измерений (рис.1.8). С помощью батареи Б заряжают конденсатор С (приемник 1 в это время находится в темноте). Затемразмыкают ключ К и открывают затвор 3 камеры 2. На приемник попадает измеряемое излучение. Измеряя с помощью вольтметра разностьнапряжений на конденсаторе до и после облучения, можно найти энергию падающего излучения. Действительно, как видно из формулы (1.8)1qλλ∫ Φdt =Q = S ∫idt = S,где q – количество электричества, накопленное конденсатором и прямоCпропорциональное разности напряжений, поэтому Q=∆U , где С –Sλемкость конденсатора.Фотографический способ основан на использовании светочувствительных материалов.
Известно, что по характеристической кривойпочернения фотоматериала можно определить экспозицию Н, котораяпредставляет собой произведение плотности мощности на время экспозиции (рис. 1.9).3СветофильтрИсточникизлученияК1ПриемникизлученияСБ2Рис. 1.7. Схема измеренияспектральной чувствительностиприемника излученияРис.
1.8. Измерительная схема сфотоэлементом26При измерении засвечивают фотоматериал измеряемым излучением и затем с помощью микрофотометра (денситометра) определяется1плотность почернения D = lg , где τ = I/I0 (I – интенсивность света, τпрошедшего через экспонированный фотоматериал; I0 – интенсивностьсвета, прошедшего через неэкспонированный фотоматериал). Определив затем Н и измерив площадь пятна S, можно найти энергию излучения Q = HS , а если известна длительность импульса, то и мощностьимпульса Ф = Q/tи.Способы измерения пространственных параметров излученияКратко рассмотрим способы измерения диаметра и расходимостиизлучения.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
