Методы и средства измерений природных сред на основе оптических и ленгмюровских эффектов

Размещено на http://www.allbest.ru/

Методы и средства измерений природных сред на основе оптических и ленгмюровских эффектов

Алленов М.И.,

Бирюков В.Г.,

Иванов В.Н.,

Третьяков Н.Д.

Аннотации

Сообщается о быстродействующих спектральных и широкоугольных средствах измерений излучений атмосферы, замкнутых объемов жидкостей с быстроизменяющейся температурой, и загрязненных газообразных и жидких сред. Приводятся комбинированные высокочувствительные оптические и ленгмюровские методы исследований сред на основе моно- и мультимолекулярных слоев веществ и их загрязнений.

Ключевые слова: спектрорадиометрия, измерение, атмосфера, природные среды, оптические методы, ленгмюровские пленки, загрязненные вещества.

Methods and tools for the measurement of natural environments based on optical effects and Langmuir

Allenov M. I., Biryukov V.G., Ivanov V. N., Tretyakov N. D.

Reported high-speed and wide-spectral measurements of atmospheric radiation facilities, closed volumes of liquids with rapidly changing temperature, and contaminated gaseous and liquid media. Provides high sensitivity combined optical and Langmuir methods of research environments based on mono- and multimolecular layers of substances and their pollution.

Key words: Spectroradiometry measurement, the atmosphere, the natural environment, optical methods, Langmuir film contaminated with the substance.

Не ослабевающий интерес отечественных и зарубежных учёных и специалистов в разработке методов и средств контроля различных природных сред: атмосферы, водных объектов, жидких и газообразных веществ, желание поделиться многолетним опытом ведущих специалистов Института экспериментальной метеорологии (ИЭМ) ФГБУ "НПО "Тайфун" (г. Обнинск) и Медбиохимического комбината (г. Моршанск) [1-12], явились причиной подготовки данной статьи о научно- практической деятельности в этом вопросе.

Для разработки методов и средств контроля в ИЭМ была создана современная опытная экспериментальная база по оптическому приборостроению, где были разработаны оптические элементы, интерференционные селективные зеркала для мощных лазеров, различные фильтры: узкополосные, сверхузкополосные, широкополосные и циркулярные клиновые фильтры различных конструкций, многозональные микрофильтры, частотные растры и другие элементы. На их основе были созданы спектрорадиометрические приборы на различные области спектра оптического диапазона (0.25-18)мкм. Многие из этих приборов и элементов в отечественной и зарубежной практике были созданы впервые [1]. Характеристики разработанных нами оптических элементов приведены в таблицах 1, 2, 3.

Таблица 1. Характеристики интерференционных фильтров

Таблица 2. Параметры клиновых интерференционных фильтров

На основе фильтров и различных оптических элементов разработаны и используются в исследованиях измерительные приборы, некоторые из которых представлены ниже.

1. Быстродействующий спектрорадиометр на диапазон 0,4-1,1 мкм

Быстродействующий клиновой спектрорадиометр описан в [1]. Прибор предназначен для исследования спектральной и пространственной структур объектов с быстро меняющимся излучением. Диспергирующим элементом спектрометра служит клиновой интерференционный фильтр, выполненный в виде двух полудисков для диапазонов длин волн 0,4-0,68 и 0,68-1,1 мкм. Быстродействие прибора определяется скоростью вращения фильтра и инерционностью приемно-усилительного тракта.

Таблица 3.Спектральные параметры типовых конструкций микрофильтров

На рис. 1 представлены блок-схема и внешний вид спектрорадиометра. Излучение объекта фокусируется на чувствительной площадке приемника (7) оптической системой, состоящей из серийного объектива "Юпитер-9" (2, 3) с блендой (1) и двухлинзового конденсора (6, 10). Излучение разлагается в спектр клиновым интерференционным фильтром (5). С помощью диафрагмы (4) можно в небольших пределах изменять поток регистрируемого излучения, а также спектральное разрешение прибора. Приемником излучения (7) служит фоторезистор PbS со светочувствительной площадкой 1 мм 2. При использовании объектива "Юпитер-9" мгновенное поле зрения спектрометра составляет 1°. Сигнал с фоторезистора поступает на интегральный операционный усилитель (8) с полевыми транзисторами на входе. Регистратором сигнала спектрометра может служить запоминающий осциллограф, регистратор на магнитном носителе, а также обычный осциллограф (9). Для жесткой привязки кадра регистраторы работают в режиме внешней синхронизации (13, 14) с вращением клинового фильтра (5). Клиновой фильтр приводится во вращение двигателем ДГМ-25-НЗ-01 (11). Усилитель и двигатель питаются от встроенного стабилизатора напряжения (12). Чувствительность прибора в максимуме спектральной характеристики 10-7 Втсм-2ср-1мкм-1, быстродействие - до 100 спектров/с, спектральное разрешение составляет 1-2% (в зависимости от применяемого фильтра). Прибор использовался в полевых условиях и исследованиях с самолета.

Рис. 1. Блок-схема и внешний вид быстродействующего спектрорадиометра:

1 - бленда; 2, 3 - объектив; 4 - диафрагма; 5 - интерференционный фильтр; 6, 10 - двухлинзовый конденсор; 7 - приемник из PbS; 8 - операционный усилитель; 9 - осциллограф; 11 - двигатель; 12 - стабилизатор напряжения; 13, 14 - устройство синхронизации

2. Спектрорадиометр на диапазон 1,8-5,6 мкм

Экспериментальные исследования в спектральном интервале

1,8-5,6 мкм связаны с определенными трудностями, заключающимися прежде всего в том, что в интервале 2,5-4 мкм наблюдается минимум регистрируемой энергетической яркости природных сред. Для длин волн, меньших 2,5 мкм, преобладает рассеянное солнечное излучение, а для длин волн, больших 4 мкм, - собственное излучение сред. В спектральном интервале 2,5-4 мкм весьма мало как рассеянное солнечное излучение, так и собственное излучение объектов. Этот спектральный интервал привлекает внимание разработчиков оптико- электронных систем (ОЭС), поскольку в нем находятся максимумы излучения различных искусственных объектов и мало влияние фона. Отсутствие данных по исследованиям стохастической структуры излучения природных сред и полей облачности в этом спектральном интервале связано в первую очередь с трудностями разработки спектральной аппаратуры этого диапазона, т.к. она должна иметь повышенную чувствительность- на 2-3 порядка превышающую чувствительность спектрорадиометрических приборов, работающих в спектральных интервалах 0,4-1,5 или 8-13 мкм.

Все это предъявляет повышенные требования к разрабатываемой аппаратуре, и прежде всего к клиновому фильтру и приемнику ИК-излучения. Для описываемого ниже спектрорадиометра был разработан специальный охлаждаемый жидким азотом приемник (фотодиод p+-n типа) на основе антимонида индия. Оптико-механическая схема спектрорадиометра и его внешний вид приведены на рис.2.

В приборе предусмотрены три различных режима работы:

- со скоростью развертки один спектр за 30 с;

- со скоростью развертки один спектр за 1 с;

- радиометрический режим, когда клиновой интерференционный светофильтр фиксируется на выбранной длине волны.

Работает спектрорадиометр следующим образом. Излучение объекта исследования через поворотное сканирующее зеркало поступает на двухкомпонентный зеркальный объектив Кассегрена (1, 2), затем через прозрачные секторы модулятора (3) и полевую диафрагму (4), размещенную в фокусе объектива, на вращающийся клиновой интерференционный светофильтр (5), который был специально разработан для этого прибора.

Рис. 2. Оптико-механическая схема и общий вид спектрорадиометра:

1, 2 - входной объектив Кассегрена; 3 - модулятор; 4 - полевая диафрагма; 5 - клиновой интерференционный фильтр; 6 - редуктор; 7 - конденсор; 8 - приемник; 9, 12 - светодиод; 10 - зеркало; 11, 13 - фотодиод

Фильтр состоит из двух секторов по 180°. Одним из них обеспечивается развертка по длинам волн 1,8-3,3 мкм, а другим - 3,3-5,6 мкм. Каждому угловому положению фильтра соответствует максимум прошедшего через фильтр излучения определенной длины волны. Модулятор, вращаемый коллекторным двигателем со стабилизатором, обеспечивает модуляцию излучения с частотой 800 Гц. Когда секторы модулятора находятся вне оптической оси прибора, на фотодиод (9) попадает отраженное от зеркальной поверхности (10) излучение светодиода (11). В схеме используется синхронный детектор и датчик для получения меток длин волн клинового интерференционного светофильтра, вырабатываемых через 10° поворота фильтра.

В приборе использован принципиально новый метод синхронного высокодобротного усиления на частоте модуляции с одновременным синхронным фазочувствительным двухполупериодным детектированием и с синхронной фильтрацией на нулевой частоте с применением синхронных фильтров.

Градуировка прибора осуществлялась известными методами [1]. Пороговая чувствительность по яркости и температуре равна

(1,4-3,4)10-6 Втсм-2ср-1мкм-1 и 0,1К для источников излучения 300К. Мгновенное поле зрения прибора, снятое по бесконечно удаленному точечному источнику, составляет 15 мин дуги, спектральное разрешение Дл/л - около 2 %, полоса пропускания - до 60 Гц. Однократная заливка сосуда Дьюара приемника обеспечивает непрерывную работу прибора в течение 3-8 ч. Погрешности измерений не превышают 8%.

2. Широкоугольный спектрорадиометр ФГБУ "НПО "Тайфун" для измерения полусферических и зональных распределений спектральных потоков излучения

Проблема параметризации оптических характеристик атмосферы Земли и прогнозирования оптического состояния атмосферы (оптической погоды, оптических помех, воздействующих на различные системы видения, атмосферных загрязнений) затрагивалась в многих работах [1,10-12].

Для ее решения требуются средства, с помощью которых можно было бы измерять суммарное рассеянное излучение с полусферы неба и локальное, когда регистрируются флуктуации, обусловленные оптическими неоднородностями. Причем наиболее информативными данными о состоянии атмосферы являются данные о полусферической спектральной плотности энергетической яркости и ее распределениях по небосводу, измеряемой в полосах поглощения атмосферных газов и окнах прозрачности, когда сравнительно легко выявляются процессы, связанные с замутненностью атмосферы аэрозолем и загрязнением ее вредными веществами.

Известны средства, при помощи которых измеряют полусферическую яркость, например, радиометр ФГБУ "НПО "Тайфун" [1, 11]. Там же описаны и другие отечественные и зарубежные приборы для ее измерений,

проанализированы их достоинства и недостатки. Однако нам не известны приборы, которые позволяли бы измерять одновременно полусферическую спектральную плотность энергетической яркости и распределения ее по зонам небосвода.

Здесь предлагается метод определения этих характеристик и схема прибора. Прибор содержит (рис. 3) выпуклое сферическое (1) и плоское (2) зеркала. Излучение со всех направлений полусферы неба направляется на приемник (7) с помощью дополнительной оптической системы (зеркала 3 и 4). В плоскости изображения зеркальной системы (1) и (2) размещен клиновой интерференционный циркулярный светофильтр (6). Может быть использована и турель с высокоразрешающими фильтрами.

Рис. 3. Широкоугольный растровый спектрорадиометр:

а) - частотный растр-модулятор: светлые ячейки - зоны, через которые проходит излучение фона; б) - оптико-электронная система:

1, 2, 3, 4 - зеркала оптической системы; 5 - частотный растр-модулятор;

6 - интерференционный фильтр; 7 - приемник излучения 8 - система регистрации, обработки и отображения информации

Для определения величин яркости излучения в зонах небосвода с зенитными углами k и азимутальными углами от 0 до 360 зеркало (2) разбито на k круговых зон, которые представляются в виде чередующихся, равных между собой высокоотражающих и поглощающих ячеек. Растр-модулятор (5) разбит на такое же число круговых зон, в которых размещены такие же по размерам, как и на зеркале, непрозрачные ячейки, излучающие подобно модели абсолютно черного тела (АЧТ), и прозрачные ячейки. При вращении растра все отражающие ячейки на зеркале будут одновременно либо открыты, либо закрыты. Таким образом, происходит модуляция излучения, распределенного по всей полусфере с частотами:

где k =1, 2, 3, ... - номер зоны; nk - количество отражающих ячеек в зонах 1, 2... k .

Спектр частотных сигналов с приемника (7) поступает на систему регистрации и обработки информации, которая производит их частотную селекцию.

Суммарный поток с полусферы неба определяется по формуле:

где B1, B2, Bk, - спектральная энергетическая яркость в зонах 1, 2, ..., k.

где k - интервал зенитных углов - разбит на следующие значения в нашем случае:

1 - от 90 до 80, средний угол 1=85;

2 - от 80 до 70, средний угол 2=75;

3 - от 70 до 60, средний угол 3=65;

4 - от 60 до 50, средний угол 4=55;

5 - от 50 до 35, средний угол 5=43;

J(,,) - энергетическая яркость неба в точке небосвода; lk - масса атмосферы в направлении зенитного угла k.

4. Оперативный метод определения многокомпонентных смесей быстродействующим спектроанализатором

Отличительной особенностью метода и спектроанализатора является:

1) выполнение функции одновременной регистрации излучений, прошедших через кюветы с эталонным и исследуемым веществами так же одновременно;

2) широкий диапазон регистрируемых излучений в каналах (от 1,4 до 12 мкм);

3) сравнительно быстрая экспресс-операция анализа спектров в исследуемом и эталонном каналах (за единицы и доли секунды);

4) высокая точность измерений спектров.

Оптико-механическая схема спектроанализатора приведена на рис. 7.

Рис. 4. Схема спектроанализатора:

1- источник излучения; 2 - диафрагма;

3 - циркулярный клиновой интерференционный светофильтр;

4, 5 - зеркала объектива; 6 - частотный растр;

7, 7 - маски эталонного и исследуемого каналов;

8, 8 - кюветы с эталонным и исследуемым веществами;

9, 10 - зеркала приемного объектива;

11, 11 - отражающие зеркала эталонного и исследуемого каналов;

12 - приемник излучения с двумя входами;

13 - система регистрации и обработки информации

В приборе использованы специально разработанные двухвходовые (с двумя окнами) приемники излучения на основе соединений JnSb и CdHgTe, охлаждаемые жидким азотом (рис. 5);

Рис. 5. Внешний вид моделей приемников излучения на основе

CdHgTe (77K), охлаждаемых жидким азотом:

1 - одноэлементный с торцевым окном; 2 - одноэлементный с боковым окном; 3 - одноэлементный двухвходовый - широкодиапазонный селективный источник излучения с клиновым циркулярным интерференционным фильтром, выполненный из четырех секторов по 90 градусов каждый. В другом варианте предусмотрена турель со сверх узкополосными интерференционными светофильтрами.

Модуляция излучений в исследуемом и эталонном каналах производится частотным растром с разными частотами в каналах. После регистрации приемником, спектры излучений выделяются частотными фильтрами, детектируются и регистрируются на персональном компьютере. Такая схема обеспечивает высокую точность измерений, так как в опорном и исследуемом каналах установлены одинаковые по оптическим и геометрическим характеристикам элементы. Поэтому при различных воздействующих факторах на параметры приемника излучения и элементы анализатора отношение сигналов к шуму в каналах остается постоянным. Спектроанализатор может работать в натурных условиях в нетермостабилизированной среде. Защищен патентом на изобретение [5].

5. Сканирующий радиометр для измерения излучений загазованной атмосферы и замкнутых объемов

В настоящее время широко распространены дистанционные методы измерений температуры объектов, атмосферы, которые по сравнению с контактными методами имеют важные преимущества:

1) при определении излучения объектов с изменяющейся температурой исключена вероятность изменения свойств объекта в результате физического контакта;

2) они позволяют решать прикладные производственные задачи, в которых прямые контактные методы измерения температуры исключены или затруднены, когда требуются повышенная точность измерений и оперативность, а также если объекты рассредоточены в пространстве.

С учетом этих преимуществ разработан и испытан сканирующий радиометр для дистанционного определения низкотемпературных излучений, например, сбраживающих объемов и загазованности атмосферы в хранилищах и в окрестностях промышленного предприятия. Такой радиометр приведен в [2, 3], его схема показана на рис.6, а общий вид на рис.7.

Излучение объекта через плоское сканирующее зеркало 1 поступает на зеркальный объектив Кассегрена 2,3. Сфокусированное объективом изображение объекта поступает на блок регистрации и сравнения излучения 4, в который входят модулятор, приемник лучистой энергии, компенсационная схема, преобразователь синхроимпульсов и интерференционный светофильтр. С выхода блока 4 электрический сигнал, соответствующий разности энергетических яркостей исследуемого объекта и эталонного излучателя, поступает на селективный усилитель 5 и синхронный детектор 6. Синхронный детектор управляется с частотой модуляции по пути от преобразователя светодиод-фотодиод через усилитель фотодиода 10 и ключи на полевых транзисторах 9. Блок 11 поддерживает частоту модуляции постоянной с погрешностью 0,3 Гц. Продетектированный сигнал поступает на фильтр нижних частот второго порядка 7 и далее на регистрирующее устройство 8, в качестве которого можно использовать стрелочный или цифровой прибор, самописец или персональный компьютер. Излучение объекта за каждый оборот сканирующего зеркала 1 сравнивается с излучением модели абсолютно черного тела 13, температуру которого поддерживает термостат 12 с погрешностью 0,05К. Прибор размещен на сканирующей платформе, которая на блок-схеме не показана.

Рис. 9. Оптико-электронная блок-схема сканирующего радиометра: 1 - плоское сканирующее зеркало; 2,3 - объектив Кассегрена; 4 - блок регистрации и сравнения излучения; 5 - селективный усилитель, 6 - синхронный детектор, 7 - фильтр нижних частот; 8 - регистрирующее устройство, 9 - ключи на полевых транзисторах, 10 - усилитель фотодиода, 11 - блок стабилизации частоты модуляции, 12 - термостат, 13 - модель абсолютно черного тела

Рис 10. Сканирующий радиометр

6. Методы молекулярных ленгмюровских слоев

В работах Бирюкова [1,2,4,8,9] и других авторов [6,7] подробно представлен весьма перспективный метод моно-и мультимолекулярных слоев Ленгмюра, который в настоящее время быстро развивается как за рубежом, так и в России в связи с простотой, высокой чувствительностью, мобильностью, широтой применения и сравнительно невысокой стоимостью. По чувствительности он не уступает например, хромотографическим и резонансным методам. На основании этого метода разработаны и широко применяются научно-методические и технологические операции, необходимые для контроля состояния жидких, в том числе мутных сред и примесей в них, по коэффициентам поверхностного натяжения. Перспективность метода [1,6,7] и его внедрение в практику позволит решить ряд задач: излучение атмосфера жидкость спектральный

- определение расстояния между молекулами;

- их взаимную ориентацию и отклик на различные воздействия электромагнитных полей;

- изучение спектральных структур молекулярных слоев;

- распознавание в них примесей;

- оценка масштабов на молекулярном уровне и рассеяние на неоднородностях слоев, и многие другие задачи.

В практических задачах методами ленгмюровских слоев можно создавать:

- сверхрешетки с заданным профилем потенциального рельефа, который можно обеспечить молекулярными зарядами (такие сверхрешетки могут использоваться в спектрометрах сверхвысокого разрешения);

- калибровочные миры и контрольные наборы слоев для прецезионных измерений с погрешностями, соизмеримыми с размерам молекул;

- логические устройства для хранения информации на основе изменения ориентации молекул в слоях;

- модулирующие устройства, индикаторы, приемники и фильтры электромагнитного излучения. Практически все эти достижения на основе молекулярных ленгмюровских слоёв уже используются во многих направлениях науки и практики.

Литература

1. Алленов М.И., Бирюков В.Г., Иванов В.Н. Распознавание природных сред, веществ и их загрязнений.- С.-Пб.:Гидрометеоиздат, 2004.-268 с.

2. Бирюков В.Г. Экспресс - методы и средства контроля природных сред и веществ на основе комбинированных оптических и легмюровских эффектов: Дис. канд. техн. наук.- Тамбов, 2004.-115с.

3. Бирюков В.Г., Третьяков Н.Д. Сканирующий абсолютный радиометр для измерения низкотемпературных излучений // Труды ИЭМ.-С.-Пб.: Гидрометеоиздат, 1995. Вып. 25(160).- С.132-137.

4. Бирюков В.Г., Юдин С.Г., Алленов М.И. Метод и устройство для определения примесей в осадках и других жидких средах // Тезисы докл. Всероссийская конф. по физике облаков и активным воздействиям на гидрометеорологические процессы.- Нальчик., 2001.- С.48-51.

5. Патент N 2230299 (РФ), С 1 7G01У 3/28. Спектроанализатор./ Аленов М.И., Бирюков В.Г., Иванов В.Н. Опубликован 10.06.2004. Бюл. N.6.

6. Блинов Л.М. Ленгмюровские пленки // Успехи физических наук, 1988.- Т.155.-С.443-480.

7. Юдин С.Г. Полярные пленки - получение и свойства: Дис. докт. техн. наук.- М.,1995.- 354с.

8. Allenov M.I., Biryukov B.G., Yudin S.G. Combined (Spectral and Langmuir) Method for Detection of Water Basins Contaminated by Oil Products // VIII Joint Jnternational Symposium "Atmospheric and Okean Optics atmospheric Physiks".- Jrkutsk., 2001.-P.178.

9. Алленов М.И., Бирюков В.Г., Юдин С.Г. Метод определения качества продуктов и состояния природных сред на основе легмюровских пленок // Труды ИЭМ.- С.-Пб.: Гидрометеоиздат, 1996. Вып. 26(161).-С.106-112.

10. Алленов М.И. Параметризация природных сред для их распознавания. - Обнинск, 2011,180 с.

11. Алленов М.И., Иванов В.Н., Третьяков Н.Д. Параметризация структур излучения и эволюции облачности. - Обнинск, 2013, 168 с.

12. Алленов М.И., В.Н. Иванов, Н.Д. Третьяков. Широкоугольный спектрорадиометр. Патент N 2125250. Опубликован 20.01.1999. Бюл N.2.

Размещено на Allbest.ru