Устройство измерения коэффициента поглощения образца

Изобретение относится к измерительной технике, а именно, к устройствам для измерения коэффициента поглощения образца и может быть использовано в ходе исследования оптических характеристик материалов и покрытий, в том числе, их отражательной и поглощательной способности, угла падения, зоны облучения, фактуры поверхности и т.д.

В самых различных областях практики возникают задачи исследования и выбора материалов и покрытий на соответствие тем или иным требованиям. Например, в области энергетической фотометрии актуальными являются задачи исследования стойкости, поглощательной или отражательной способности материалов и покрытий, используемых в приемных элементах калориметрических преобразователей энергии и мощности излучения, их зависимости от фактуры поверхности, технологии ее обработки, места и угла падения излучения на воспринимающую его поверхность, плотности энергии и мощности излучения высокоинтенсивных лазеров, определения критической интенсивности излучения, вызывающей значительные изменения оптических характеристик или разрушение этой поверхности, а также возникновение пробойных явлений и экранирования этой поверхности образующейся плазмой и т.п. Часто подобные исследования проводятся на уже разработанных и изготовленных приборах для определения критических значений тех или иных параметров излучения при различных условиях его воздействия. Однако, подобный подход требует изготовления под каждый исследуемый образец полного комплекта входящих в состав прибора деталей, проведения их сборки, монтажа термобатарей и калибровочных электронагревателей и т.д. вне зависимости от пригодности оптического элемента.

Из уровня техники известно устройство измерения коэффициента поглощения образца, содержащее источник лазерного излучения, делительную пластину, контрольный приемник излучения и измерительную термобатарею с держателем образца и термостатом (см. А.Н. Гвоздев, М.Л. Козаченко. «Аппаратура и методики измерений оптических характеристик материалов и покрытий под воздействием интенсивного лазерного излучения» // Измерительная техника, №12, 2006, С. 19-24). Основными недостатками известного устройства являются невозможность определения абсолютных значений оптических характеристик образцов материалов и покрытий при конкретных параметрах воздействующего на них излучения; невозможность оценки формы, длительности, плотности, средней и максимальной мощности воздействующих импульсов излучения; а также невозможность электрической или другой калибровки приемника излучения по поглощенной энергии, а значит, невозможность количественной оценки оптических характеристик исследуемых образцов материалов и покрытий.

Технической проблемой является устранение указанных недостатков и создание устройства измерения оптических характеристик материалов и покрытий с внутренней системой калибровки. Технический результат заключается в повышении точности проводимых измерений, в том числе по абсолютному значению. Поставленная проблема решается, а технический результат достигается тем, что в устройстве измерения коэффициента поглощения образца, содержащем источник лазерного излучения, делительную пластину, контрольный приемник излучения и измерительную термобатарею с держателем образца и термостатом, внутри термостата расположен волоконно-оптический канал, с одной стороны подведенный к полусферической зеркальной полости, выполненной на обращенном к образцу торце термостата, а с другой - к калибровочному источнику излучения. Волоконно-оптический канал предпочтительно выполнен в виде двух участков волоконно-оптического кабеля, разделенных волоконно-оптической скамьей с поворотным оптическим затвором. Вокруг полости на термостате предпочтительно установлена выжимная втулка, обеспечивающая возможность извлечения образца из держателя и снабженная кольцевой канавкой, в которую в рабочем положении с зазором входит кольцевой выступ, выполненный на смежной поверхности образца.

На чертеже представлена схема предлагаемого устройства.

Предлагаемое устройство измерения коэффициента поглощения образца включает в себя силовой источник 1 лазерного излучения и последовательно установленные по ходу его пучка: проходной измеритель энергии излучения на базе контрольного приемника 2 и делительной пластины 3, длиннофокусный объектив 4 и цанговый держатель с образцом 5 исследуемого материала в форме диска. Для установки и изъятия образца 5 из устройства, оно снабжено подвижной выжимной втулкой 6. При этом надежное фиксирование положения образца 5 в устройстве обеспечивается с помощью системы упругих и хорошо проводящих тепло лепестков 7, между которыми он зажимается, благодаря их пружинным свойствам.

Лепестки 7 выполнены в виде узких и длинных полосок, нарезанных на торце тонкостенной цилиндрической цанговой обечайки, изготовленной из материала, обладающего хорошей теплопроводностью. При этом конечные участки лепестков 7 имеют ступенчатый угловой излом в сторону исследуемого образца 5, а их торцы, в свободном состоянии, располагаются по окружности, диаметр которой составляет ~ (80-85)% диаметра образца 5. Материал лепестков 7 обладает хорошей упругостью.

Противоположный лепесткам 7 торец обечайки находятся в тепловом контакте с «горячими» спаями дифференциальной измерительной термобатареи 8. Устройство снабжено пассивным термостатом 9, в тепловом контакте с которым находятся «холодные» спаи термобатареи 8.

На обращенной к образцу 5 стороне термостата 9 имеется выступ, на котором по ходовой посадке установлена выжимная втулка 6. На ее торцевой поверхности выполнена кольцевая канавка, наружная стенка которой используется для разжимания упругих вставок при заменах исследуемого образца 5. Для продольных перемещений выжимной втулки 6 используются стержневые толкатели 10, которые закреплены в этой втулке и свободно размещены в выполненных в пассивном термостате 9 горизонтальных сквозных каналах. Для продольных перемещений выжимной втулки 6 с помощью толкателей 10 используется рычаг 11, закрепленный на оси 12. На конце рычага 11 выполнена вилка, которая входит в подвижное зацепление с упорной втулкой 13, в которой закреплены противоположные выжимной втулке 6 концы толкателей 10. Упорная втулка 13 изготовлена из материала, характеризующегося низкой теплопроводностью и высокой прочностью, например, стеклотекстолита. Пространственное расположение деталей рассмотренного привода выжимной втулки 6 таково, что воздушные зазоры, отделяющие в рабочем состоянии поверхности этой втулки 6 от внутренних поверхностей исследуемого образца 5, а также внешнюю стенку кольцевой проточки втулки 6 от наклонных участков ступенчатых угловых изломов пружинных лепестков 7, одинаковы. Ход упорной втулки 13, при повороте рычага 11 от упора до упора, составляет расстояние, превышающее величину названных зазоров на длину, соответствующую полной толщине исследуемого образца 5. Благодаря этому, при перемещениях выжимной втулки 6 и его механических взаимодействиях с образцом 5 и наклонными участками ступенчатых угловых изломов лепестков 7, происходит разжимание последних и одновременное выжиманием образца 5 из устройства, что упрощает операции его замены. В требуемом положении выжимная втулка 6 надежно закрепляется с помощью фиксатора 14.

Для точной и достоверной оценки значения коэффициента поглощения материала, кроме измерения энергии воздействующего на него излучения, необходимо располагать информацией об уровне поглощенной им энергии. Поэтому в составе заявляемого устройства, помимо рассмотренного силового оптического канала, имеется штатный калибровочный оптический канал, используемый для воздействия стабильным импульсом излучения известного уровня энергии на тыльную сторону исследуемого образца 5. При этом излучение к образцу передается по участку 15 волоконно-оптического кабеля, проложенному по выполненному вдоль оси термостата 9 волоконно-оптическому каналу. Участок 15 подключен к выходному каналу волоконно-оптической скамьи 16.

Для формирования импульса излучения, устройство снабжено поворотным оптическим затвором, рабочая дисковая шторка 17 которого выполнена в виде поворачиваемого на один оборот непрозрачного диска с прорезью, имеющей радиально направленные грани со скошенными кромками. Шторка 17 расположена в зоне создаваемого в скамье 16 короткого участка открытого пучка непрерывного коллимированного излучения. При этом скосы кромок шторки 17 направлены в сторону выходного канала скамьи. Излучение на вход скамьи подается по второму участку 18 волоконно-оптического кабеля от калибровочного источника излучения в виде высокостабильного непрерывного лазера 19 с волоконно-оптическим выходом. Импульс его излучения формируется в момент прохождения прорези в шторке 17 затвора через участок открытого пучка в волоконно-оптической скамье 16. При этом вращательное движение шторки 17 обеспечивается с помощью привода 20, выполненного в виде периодически включаемого на один оборот синхронного электродвигателя с редуктором.

Для изменений условий взаимодействия исследуемого образца материала с излучением в силовом оптическом канале, заявляемое устройство снабжено механическим блоком 21, обеспечивающим продольные, поперечные и вертикальные линейные, а также угловые перемещения исследуемого образца 5 относительно оси воздействующего на них пучка излучения в заданных пределах.

Опора 22 крепления лепестков 7 на термостате 9 выполнена с помощью втулок и шайб из теплоизоляционного материала, обеспечивающих их тепловую развязку.

Для исследования оптических характеристик какого-либо покрытия, оно предварительно наносятся на внешнюю поверхность 23 соответствующего образца материала.

Для повышения эффективности поглощения выходящего из волоконно-оптического кабеля 15 калибровочного импульса энергии излучения с тыльной поверхностью исследуемого образца материала 5, на обращенном к этой поверхности торце термостата 9 выполнена полусферическая зеркальная полость 24. С этой же целью на внутреннюю поверхность всех исследуемых образцов материала наносится поглощающее излучение покрытие 25 в виде эмали АК-243, характеризующейся коэффициентом поглощения на уровне 98%, что в совокупности с полостью 24 позволяет значительно повысить эффективность теплового преобразования энергии сформированного затвором 17 стабильного по энергии и длительности импульса излучения, подаваемого на образец по штатному калибровочному волоконно-оптическому каналу.

Кроме того, по наружному диаметру всех исследуемых образцов 5 выполнен обращенный к термостату 9 кольцевой выступ 26, также имеющий покрытие эмалью АК-243. Конфигурация и размеры выступа 26 таковы, что, в рабочем положении он оказывается несколько заглубленным в кольцевую канавку выжимной втулки 6, сохраняя при этом воздушные зазоры и образуя таким образом оптическую ловушку, улавливающую рассеянное излучение, следующее от зоны взаимодействия излучения с внутренней поверхностью образца 5 к лепесткам 7. Такое взаимное расположение выжимной втулки 6 и исследуемого образца 5, во первых, исключает их тепловое взаимодействие, а, во-вторых, препятствует прямому попаданию на лепестки 7 части рассеянного излучения и возможности увеличения связной с этим фактором неопределенности результатов исследований образца.

Для калибровки проходного приемника энергии на базе делительной пластины 3 и контрольного приемника 2, в составе заявляемого устройства имеется опорный приемник энергии 27, по мере необходимости, вводимый в пучок лазерного излучения между объективом 4 (или делительной пластиной 3) и образцом 5. Наличие опорного приемника 27 позволяет исключить необходимость проведения трудоемких независимых оценок коэффициента деления пластины 3 и коэффициента ослабления объектива 4 для разных случаев их применения, зависящих от многих факторов (длина волны, поляризация, угол падения излучения и т.п.), а заменить эти работы на более простую штатную операцию определения коэффициента пересчета показания контрольного приемника 2.

Кроме того, делительная пластина 3 выполнена клиновидной, формирующей два пучка отраженного от ее поверхностей излучения, один из которых направлен в контрольный приемник 2, а второй - в регистратор формы и длительности оптического импульса 28, генерируемого источником 1 лазерного излучения.

Устройство может быть дополнительно снабжено наружным кожухом (на чертежах не показан), обеспечивающим защиту термостата 9 и исследуемого образца 5 от внешних тепловых и механических воздействий.

Кроме того, в частном случае реализации изобретения, устройство может быть снабжено средствами отображения информации (например, в виде аналого-цифровых преобразователей с индикатором или дисплеем), системами автоматического управления механическим блоком 21 и компьютером для автоматического управления его работой, в том числе, при проведении измерительных процессов с многократными измерениями и обработкой всей измерительной информации в соответствии с заданными алгоритмами ведения этих процессов и с автоматической выдачей протоколов полученных результатов.

Предлагаемое устройство работает следующим образом.

Сначала, до установки исследуемого образца 5 между лепестками 7, вводят в пространство между объективом 4 и термостатом 9 опорный приемник 27 энергии излучения, направив его приемную поверхность в сторону полости 24 в термостате 9. Затем, при закрытой шторке 17 затвора, включают и прогревают стабильный непрерывный калибровочный лазер 19, формируют с помощью шторки 17 импульс излучения стабильной длительности и фиксируют с помощью опорного приемника 27 энергию этого импульса Q_Э. Учитывая высокую стабильность воспроизводимого таким образом значения энергии импульса излучения, используют полученное значение Q_Э в качестве штатной калибровочной меры энергии для заявляемого устройства на период, определяемый допустимой неопределенностью результатов исследований образцов и стабильностью используемого непрерывного лазера после его прогрева и работе в непрерывном режиме без выключений.

Передав таким образом единицу энергии от опорного приемника 27 энергии рассмотренной калибровочной мере энергии на базе лазера 19 и затвора с шторкой 17, переводят рычаг 11 привода выжимной втулки 6 в заднее положение, соответствующее операции замены образца 5. При этом выжимная втулка вступает в механические контакты с наклонными участками ступенчатых угловых изломов лепестков 7, а затем, при ее дальнейшем движении, производит их разжимание, обеспечивая возможность установки между ними подлежащего исследованиям образца 5 материала или покрытия. Установив между лепестками 7 образец 5 и прижимая его к торцевой поверхности выдвинутой вперед выжимной втулки 6, переводят рычаг 11 в переднее положение и освобождают лепестки 7, обеспечивая обжатие с хорошим тепловым контактом и последующее удержание подлежащего исследованиям образца 5.

Установив образец 5, воспроизводят с помощью отмеченной ранее штатной меры (в составе непрерывного лазера 19 и затвора со шторкой 17) энергию импульса излучения Q_Э, воздействуя ею на тыльную сторону образца 5, а также фиксируют вызванный этим воздействием сигнал U_К термобатареи 8, и оценивают коэффициент преобразования энергии эталонного оптического импульса К_Э:

При этом, поскольку рассмотренное техническое решение узла взаимодействия исходящего из волоконно-оптического канала излучения с тыльной поверхностью исследуемого образца 5 обеспечивает практически полное его тепловое преобразование, то полученное значение коэффициента преобразования оптической энергии К_Э можно принять адекватным коэффициенту преобразования поглощенной образцом 5 тепловой энергии.

Затем приступают к оценке коэффициента пересчета показания контрольного приемника 2 энергии в силовом оптическом канале заявляемого устройства. С этой целью разворачивают приемную поверхность опорного приемника 2 в сторону силового источника 1 лазерного излучения, генерируют импульс и фиксируют показания Q_Пр контрольного приемника 2 из состава проходного прибора и Q_Л опорного приемника 27, после чего оценивают коэффициент пересчета показания К_Пр контрольного приемника 2 энергии:

Затем выводят из области пучка опорный приемник 27 энергии, а образец 5, вместе с термостатом 9, позиционируют с помощью механического блока 21 в области пучка излучения силового источника 1 за объективом 4 таким образом, чтобы формируемый последним сходящийся пучок излучения занимал, по возможности, наибольшую долю поверхности исследуемого образца 5 диаметром D₁, а, следовательно, имел относительно невысокую плотность энергии излучения. Затем воздействуют на исследуемый образец 2 импульсом излучения силового источника 1 и фиксируют показание Q_Пр контрольного приемника 2 из состава проходного прибора и отклик U_ТБ термобатареи 5, пропорциональный уровню поглощенной исследуемым образцом 5 энергии. При этом уровень Q_Л воздействовавшей на образец 5 энергии излучения источника 1, определяют, используя показание Q_Пр контрольного приемника 2, а также полученное согласно (2) значение коэффициента пересчета К_Пр его показания:

Уровень поглощенной образцом 5 энергии оценивают, используя полученное согласно (1) значение коэффициента преобразования поглощенной (тепловой) энергии К_Э и зарегистрированное значение сигнала термобатареи U_ТБ, используя зависимость:

Значение коэффициента поглощения исследуемого материала К_ПМ оценивают как отношение полученных согласно (3) и (4) значений поглощенной образцом Q_П и воздействующей на него оптической Q_Л энергий:

При этом плотность энергии воздействовавшего на образец 5 излучения, отнесенную к площади F₁ пучка излучения на поверхности этого образца, оценивают согласно зависимости:

Кроме того, зафиксировав длительность τ и форму импульса с помощью включенного в состав устройства регистратора 28, оценивают имевшую место плотность (P_И.Ср/F₁)₁ средней мощности Р_И.Ср излучения этого импульса:

При необходимости, используя информацию о форме импульса, оценивают максимальную мощность излучения в импульсе и ее плотность.

Затем, при последующих исследованиях, поэтапно отодвигают с помощью механического блока 21 исследуемый образец 5 вместе с термостатом 9 от объектива 4, выполняя таким образом условие D₁>D₂>D₃ и соответствующее увеличение, согласно (6) и (7), плотности энергии и мощности излучения на поверхности образца, контролируют постоянство или изменения получаемых согласно (5) значений K_ПM.1, К_ПМ.2, К_ПМ.3. Поскольку в рассматриваемой схеме заявляемого устройства условия облучения контрольного приемника 2 из состава проходного прибора остаются неизменными и не зависят от характера облучения исследуемого образца 5, то при стабильности оптических характеристик материала должно выполняться условие:

Нарушение условия (8) и изменения значений К_ПМ свидетельствуют об изменениях коэффициента поглощения, вызванных изменениями плотности энергии и мощности излучения, оцениваемой для каждого отдельного случая согласно (6) и (7).

При этом, в зависимости от цели исследований, за критическую плотность энергии может приниматься либо превышение допустимых изменений коэффициента поглощения в конкретном случае применения материала (например, в метрологии), либо резкое его изменение, вызванное разрушением, плавлением, испарением или сублимацией материала, пробойными явлениями у поверхности, экранированием ее плазмой (например, при проведении работ, направленных на выбор материала, его состава, отработке технологии его изготовления и обработки, а также различных научных исследованиях).

По аналогичной методике, но после вывода из зоны пучка излучения объектива 4, проводятся исследования относительных изменений коэффициента поглощения, вызванных изменениями угла падения пучка излучения на образец 5, а также размера и места расположения на нем зоны облучения. Отличие заключается только в том, что оценка коэффициента пересчета показания контрольного приемника энергии К_Пр с помощью опорного приемника согласно (7) проводится при выведенном из пучка объективе 4.

В общем случае, программа и методика работ с исследуемыми образцами 5 зависит от конкретных целей проводимых исследований и может включать в себя, например, спектральный анализ состава ингредиентов материала образца, подвергавшегося воздействию мощного излучения, до и после этого воздействия, контроль изменений макро- и микроструктуры его поверхности, массы и т.п.

По завершении исследований, извлекают исследованный образец 5 из устройства. Для этого снова переводят рычаг 11 в заднее положение, в результате чего выжимная втулка 3 при движении вперед разжимает пружинные лепестки 7 и выжимает образец 5 из устройства, что значительно облегчает его замену на другой, подлежащий последующим исследованиям.

Снабжение устройства измерения коэффициента поглощения калибровочным волоконного-оптическим каналом предложенной конструкции позволяет значительно повысить точность проводимых измерений, в том числе по абсолютному значению за счет использования внутренней калибровки. Эффективность применения устройства достигается благодаря тому, что реализованный процесс исследований образцов материала приближен по своей сущности к работе обычных калориметрических преобразователей энергии лазерного излучения, но имеющих сменные приемные элементы, в качестве которых используются образцы 5.

Предлагаемое устройство, при необходимости, может ограниченное время использоваться как обычное средство измерений, работающее с излучением, параметры которого могут превышать критические значения, вызывающие, например, частичную сублимацию материала приемного элемента.

Работа выполнена с использованием оборудования Центра коллективного пользования высокоточных измерительных технологий в области фотоники (ckp.vniiofi.ru), созданного на базе ФГУП «ВНИИОФИ» и поддержанного Минобрнауки России в рамках выполнения соглашения №14.595.21.0003 от 28.08.2017 г. (уникальный идентификатор RFMEFI59517X0003).