Основными способами измерения энергетических параметров яв-ляются: калориметрический; механический (пондеромоторный); фото-электрический; фотографический.
Калориметрический способ основан на тепловом действии оптиче-ского излучения. Принцип его состоит в следующем. На нагрузку падает излучение, под действием которого температура нагрузки изменяется. Из-меряя разность (изменение) температуры нагрузки по сравнению с темпе-ратурой окружающей среды, можно определить энергию или мощность падающего излучения. Приборы, с помощью которых таким способом измеряются энергетические параметры, называются калориметрами. На-грузкой калориметра, как правило, являются устройства, представляю-щие собой модели черных тел, например, зачерненный внутри конус. В вершине конуса расположен датчик температуры, например, полупрово-дниковый болометр или термистор, сопротивление которого меняется при изменении температуры. Нагрузка может быть выполнена также в виде сферы, заполненной беспорядочно уложенной изолированной проволо-кой, 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 на-ходится под действием окружающей температуры, а на другую падает измеряемое излучение. Нагрузки должны быть идентичны. Для боль-шей достоверности измерения проводят сначала с одной, а потом с другой нагрузкой, т.е. их меняют местами. С помощью измерительного прибора при этом измеряют не абсолютные значения температур на-грузок, а их разность, что значительно повышает точность измерений (рис.1.5, б). Перед измерениями установки калибруют, пропуская через нагрузку ток определенной величины.
Анализ работы калориметра может быть выполнен с помощью упрощенного уравнения теплопроводности нагрузки:
| mc | dT | + S ∆ T =, | (1.6) | |
| dt | ||||
Ф(Q)
Ф(Q)
Термистор
Измерительный Сфера Проволока конус
а
Ф(Q)
Измерительный
прибор
б
Рис. 1.5. Калориметры:
а – устройство нагрузок; б – схема измерительной установки
где m – масса нагрузки; с – удельная теплоемкость; α – коэффициент теплообмена нагрузки с окружающей средой; S – площадь поверхно-сти, через которую происходит теплообмен; Т – разность температур нагрузки и окружающей среды.
Если измеряется непрерывное излучение, то достигается стацио-нарный режим работы установки, при котором величина dT / dt равна нулю (нагрузка имеет некоторую постоянную температуру, бόльшую, чем температура окружающей среды). В этом случае α S ∆ T =, т.е., из-меряя 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 за время действия импульса приобрести температуру окружающей среды.
| В этом случае в формуле (1.6) α S Т = 0, и мы получаем mc | dT | =, от- | |
| dt | |||
| куда ∫ mcdT = ∫ Φ dt и mc (T max − T 0)= Q | или mc ∆ T max = Q. | ||
Таким образом, измеряя максимальное отклонение температуры нагрузки, наблюдаемое в результате действия импульса излучения, и зная величины m и c, можно найти энергию импульса.
Основным недостатком калориметров являются сравнительно неболь-шие уровни измеряемых мощностей или энергий, так как нагрузка изменя-ет свои свойства или выходит из строя под действием мощного излучения.
Механический способ измерения энергетических параметров осно-ван на давлении света (излучения). В этом случае на нагрузку направляется излучение, под действием которого нагрузка оказывается под давлением. Величина давления измеряется, как правило, каким-нибудь косвенным об-разом, например, по закручиванию некоторой системы или изменению за-зора между некоторыми телами и т.д. Нагрузка должна обладать высокой отражательной способностью, а измеряемое излучение – падать нормаль-но к отражающей поверхности. На рис. 1.6 представлена схема механиче-ского (пондеромоторного) измерителя энергии (мощности) излучения.
Излучение, мощность (энергию) которого необходимо измерить, направляется нормально к зеркалу 2, которое вместе с симметричным и аналогичным зеркалом 2 ʹ и контрольным зеркалом 3 подвешено на тон-кой кварцевой нити 1 к крутильной головке 4. Под действием излуче-ния нить закручивается. Для того, чтобы излучение падало нормально к зеркалу (если измеряется непрерывное излучение), систему возвра-
| щают к прежнему положению с помощью крутильной головки. О том, | ||||||
| что система находится в перво- | 4 | |||||
| начальном положении, судят по | ||||||
| положению светового зайчика 6, | ||||||
| создаваемого источником света | 1 | R | ||||
| 5 на шкале 7. Отсчет в этом слу- | 2 | |||||
| чае (т.е. угол закручивания нити) | 3 | |||||
| снимается по крутильной голов- | 2 ʹ | 5 | ||||
| ке. Если измеряется импульсное | α | |||||
| излучение, то определяется мак- | 8 | 6 | 7 | |||
| симальный | угол закручивания | |||||
| Рис. 1.6. Схема механического | ||||||
| нити под | действием импульса | |||||
| измерителя мощности (энергии) |
| излучения; отсчет снимается по | лазерного излучения | |
шкале 7 и световому зайчику. Все устройство помещено в вакуум, что-бы исключить действие воздуха и увеличить чувствительность систе-мы. Анализ работы механического измерителя можно сделать, исполь-зуя уравнение Эйнштейна
| mc 2= Q, | (1.7) |
где m – масса тела; с – скорость света; Q – энергия.
Применим это уравнение к фотону. Из (1.7) находим, что количе-ство движения фотона равно:
mc = Qc Φ.
Если фотон падает на зеркало, а затем отражается от него (при ус-ловии нормального падения), то изменение его количества движения равно
2 mc =2 Qc Φ.
Так как изменение количества движения равно импульсу силы, то 2 mc = F Φ ∆ t =2 Q c Φ.
Таким образом, в результате действия фотона на зеркало действует сила
F Φ=2 cQ ∆Φ t .
Умножая обе части этого равенства на число фотонов в излучении, получим выражение для силы, возникающей при действии излучения с энергией Q = NQ ф
F =2 cQ ∆ t.
Так как Q /Δ t есть мощность излучения, то
F =2 Φ c.
При измерении непрерывного излучения угол закручивания нити (измеренный по крутильной головке) будет пропорционален этой силе и радиусу R и обратно пропорционален жесткости нити k:
| i = S λ, |
γ ≈2 Φ ck R.
Таким образом, зная параметры измерительной установки и замеряя γ, можно измерить мощность падающего излучения. При импульсном дей-ствии излучения угол закручивания (по световому зайчику) определяется как максимальный угол в результате действия импульса и будет пропорци-онален не силе, а импульсу силы, и обратно пропорционален корню ква-дратному из произведения жесткости нити и момента инерции системы:
γ max ≈ F ∆ tR = 2 QR.
kJ c kJ
Итак, зная параметры системы и измеряя максимальный угол закру-чивания, можно определить энергию падающего излучения. Для изме-рения момента инерции системы в измерителе предусмотрен крючок 8.
Основным недостатком механических измерителей является их чувствительность к вибрациям.
Фотоэлектрический способ измерения основан на использова-нии приемников излучения. Известно, что ток (напряжение) на выходе приемника излучения прямо пропорционален мощности падающего на чувствительную площадку излучения и чувствительности (токовой или вольтовой) приемника:
(1.8)
где S λ – спектральная (монохроматическая) чувствительность приемника.
Значит, измеряемая мощность Ф = i / S λ.
При фотоэлектрических измерениях следует обратить особое вни-мание на то, что спектральная чувствительность S λ должна быть извест-на для той длины волны, на которой происходят измерения. Кроме того, прежде, чем снять отсчет, необходимо убедиться в том, что приемник работает в линейной зоне своей характеристики. В этом можно легко убедиться, помещая перед приемником нейтральный светофильтр с кратностью 2; отсчет должен при этом уменьшиться в два раза.
Если величина спектральной чувствительности неизвестна, то ее можно определить экспериментально с помощью, например, лампы на-каливания. Определяя световой поток, падающий от лампы на чувстви-тельную площадку приемника, как Φ V = ES, здесь Е – освещенность, создаваемая лампой в плоскости чувствительной площадки приемника,
а S –площадь чувствительной площадки),можно затем найти монохро-матический поток по формуле:
| Φ λ = | Φ V M λ∆λ | , | (1.9) | |
| 0,8 |
683 ∫ M λ V λ d λ
0,4
где M λ – относительная спектральная плотность мощности излучения лампы; V λ – коэффициент относительной видности глаза; Δλ – ширина полосы пропускания светофильтра.
Расстояние от лампы до приемника должно быть не меньше деся-тикратного размера светящегося тела лампы (рис. 1.7). Интеграл в зна-менателе формулы (1.9) вычисляется методом графического интегриро-вания.
Если измеряемое излучение импульсное, то можно использовать следующую схему измерений (рис.1.8). С помощью батареи Б заряжа-ют конденсатор С (приемник 1 в это время находится в темноте). Затем размыкают ключ К и открывают затвор 3 камеры 2. На приемник попа-дает измеряемое излучение. Измеряя с помощью вольтметра разность напряжений на конденсаторе до и после облучения, можно найти энер-гию падающего излучения. Действительно, как видно из формулы (1.8)
∫Φ dt = Q =1∫ idt = q,
 |  |
S λ S λ
где q – количество электричества, накопленное конденсатором и прямо
| пропорциональное разности напряжений, поэтому Q = | C | ∆ U,где С – | |
| емкость конденсатора. | S λ | ||
Фотографический способ основан на использовании светочув-ствительных материалов. Известно, что по характеристической кривой почернения фотоматериала можно определить экспозицию Н, которая представляет собой произведение плотности мощности на время экс-позиции (рис. 1.9).
| Светофильтр | 3 | К | |||
| Источник | 1 | С Б | |||
| излучения | Приемник | ||||
| излучения | 2 | ||||
| Рис. 1.7. Схема измерения | |||||
| спектральной чувствительности | Рис. 1.8. Измерительная схема с | ||||
| приемника излучения | фотоэлементом |
При измерении засвечивают фотоматериал измеряемым излучени-ем и затем с помощью микрофотометра (денситометра) определяется
| , где τ = I / I 0 | (I – интенсивность света, | ||||
| плотность почернения D =lg | |||||
| τ | |||||
прошедшего через экспонированный фотоматериал; I 0 – интенсивность света, прошедшего через неэкспонированный фотоматериал). Опреде-лив затем Н и измерив площадь пятна S, можно найти энергию излу-
чения Q = HS, а если известна длительность импульса, то и мощность импульса Ф = Q / t и.