Рис. 36. РЭОП с блоком микрокаиальных умножителей:

/ - люминофор; 2 - ходиое окно; 3 - блок электронных умножителей; 4 - экран.

наибольший энергетический выход рентгенолюминесценции до 20-25%) и легко получаюшегося в виде хорошо сформированных зерен необходимых размеров.

Выходной экран - стеклянная пластина, покрытая флюоресцирую-f щим составом; расположен в конусообразном алюминиевом аноде с отверстием. Разность потенциалов меж-2 ду анодом и фотокатодом 25 кВ. На проводящее покрытие внутри колбы, служащей фокусирующим электродом, подается напряжение 300 В относительно катода. Размеры выходного экрана примерно в 10 раз меньше размеров входного. Изображение на выходном экране рассматривается с помощью окуляра или переносится на телевизионный экран.

Современные РЭОП позволяют изменять масштаб изображения, что бывает необходимо при проведении работ по радиационной интроскопии, когда нужно уточнить форму и характер дефекта. Изменяют масштаб регулировкой величины напряжения на электродах ЭОП.

В РЭОП с блоком микроканальных электронных умножителей (рис. 36) отдельные каналы умножителя выполнены из свинцового стекла с отношением длины к диаметру от 30 до 100. При диаметре каналов 100 мкм и приложенном напряжении 1 кВ усиление умножителя порядка 10*.

Отличительной особенностью РЭОП является небольшая длина - порядка нескольких сантиметров, что достигается способом параллельного переноса изображения. Расстояние фотокатод - шайба микроканальных умножителей 4-8 мм, разность потенциалов между шайбой и экраном порядка 5 кВ, максимальная яркость выходного экрана 30 кд/м^.

Входное окно РЭОП выполнено из титана толщиной 300 мкм и имеет радиус кривизны 250 мм. Из-за наличия кривизны входного окна люминофор наносится на отдельную плоскую подложку, незначительно поглощающую рентгеновские лучи. Размер рабочего поля РЭОП 120 мм, разрешающая способность 4 линии/мм.

Глава 2

РАДИОМЕТРЫ И ТЕПЛОПЕЛЕНГАТОРЫ

5. НАЗНАЧЕНИЕ И УСТРОЙСТВО РАДИОМЕТРОВ

Радиометры предназначены для дистанционного измерения интенсивности теплового излучения различных объектов и фонов. Русский ученый В. А. Михельсон один из первых разработал удобную для практики конструкцию радиометра, которая в дальнейшем была усовершенствована его учениками [49]. Основной элемент прибора - тонкая (порядка нескольких десятков микрометров) зачерненная биметаллическая пластина (рис. 37), расположенная в медном корпусе с входным окном, через которое поступает излучение. Одной стороной пластину жестко крепят к юстировочному приспособлению, а на другой стороне имеется удлинитель коробчатой формы, выдавленный из алюминиевой фольги толщиной 10 мкм. При измерении пластина нагревается и ее изгиб регистрируется с помощью микроскопа по отклонению конца удлинителя.

В последующих конструкциях радиометров биметаллическая пластина была заменена монометаллической (радиометр Н. Н. Калитина) и термопарой, что позволило значительно уменьшить инерционность приборов. Последовательное соединение термопар в так называемые термостолбики и применение высокочувствительных гальванометров привело к резкому повышению чувствительности радиометров.

Современные радиометры работают по принципу непрерывного сравнения неизвестной интенсивности излучения внешнего источника с известной интенсивностью местного (эталонного) источника. В состав радиометра входят следующие основные элементы: приемник; оптическая система, фокусирующая излучение внешнего источника на чувствительную площадку приемника; эталонный источник излучения - черное тело; модулятор, осуществляющий попеременное облучение чувствительной площадки приемника

внешним и эталонным источниками; электронная схема, служащая для преобразования, усиления и измерения сигнала с выхода приемника; оптический визир, при помощи которого ось радиометра наводится на объект.

Рис. 37. Радиометр В. А. Михельсона:

; - микроскоп; 2 - лампа подсвета; S - удлинитель; 4 - биметаллическая <инвар-железо) пластина; 5 - входное окно; 6 - медный корпус; 7 - юсти-ровочное приспособление.

Схема, поясняющая устройство простейшего современного радиометра, изображена на рис. 38 [74].

Излучение от объекта фокусируется зеркальным объективом на чувствительную площадку приемника излучения.

\2

Рис. 38. Оптико-мехаиическая схема радиометра:

/ - зеркальный объектив; 2 - прерыватель; 3 - входное окно из КРС-5; 4 - полупроводниковый болометр; 6~ двигатель привода прерывателя; 6 - генератор опорного напряжения; 7 - датчик температуры; 8 - эталонный излучатель (черное тело).

Объектив СОСТОИТ из параболического первичного зеркала диаметром 100 мм со светосилой 1 : 1 и гиперболического вторичного зеркала диаметром 50 мм; общее фокусное расстояние объектива 200 мм. Фокусировка в пределах от бесконечности до 2,5 м осуществляется перемещением вторичного зеркала.

Приемником излучения служит полупроводниковый болометр. Он имеет плоское входное окно из материала КРС-5, пропускающее около 70% излучения в спектральном интервале от 0,65 до 35 мкм.

Интенсивность падающего излучения измеряют путем его сравнения с излучением внутреннего эталонного источника (черного тела). Для этого на приемник при помощи секторного прерывателя, вращаемого электродвигателем, попеременно с частотой 80 Гц направляют излучение объекта и черного тела. В тот момент, когда секторный прерыватель перекрывает путь лучистому потоку от объекта, излучение эталонного источника, отразившись от зеркала и тыльной зеркальной стороны прерывателя, попадает на болометр *.

Периодическое прерывание излучения, падающего на приемник, повышает чувствительность радиометра; полоса пропускания частот усилительного тракта сужается до необходимых пределов, а частотный диапазон выбирается из условия минимума собственных шумов системы.

При вращении прерывателя на выходе приемника излучения возникает периодический сигнал, несущая частота которого равна частоте прерывания лучистого потока, амплитуда пропорциональна разности потоков, падающих на приемник от объекта и модулятора, а огибающая зависит от распределения температуры на объекте наблюдения.

выходной сигнал приемника подается в фазовый детектор, представляющий собой двухполупериодный выпрямитель, который находится под воздействием опорного напряжения, синхронно изменяющегося с частотой модуляции лучистого потока. Это позволяет сравнивать сигнал от объекта с сигналом от эталонного источника не по амплитуде, а по фазе. Отрицательное значение сигнала означает, например, что интенсивность излучения исследуемого объекта меньше интенсивности эталонного источника. Для получения нулевого сигнала изменяют температуру эталонного источника или диаметр его выходной диафрагмы.

Опорное напряжение вырабатывается генератором с принудительной генерацией от фототриода. Секторный прерыватель при своем вращении перекрывает лампу накаливания, посылающую свет на фототриод, так что частота опорного напряжения равна частоте вращения прерывателя. Для этого может быть также использован маломощ-

* Слово болометр происходит от двух греческих слов: боло - луч и метрео - меряю (измеритель излучения). Эти приборы применяют в физических исследованиях свыше 100 лет, но в последнее время они получили большое распространение в связи с освоением длинноволнового участка инфракрасной области спектра.

ный генератор с постоянными магнитами, ротор которого вращается синхронно с прерывателем.

Вследствие того, что площадь сечения прерываемого потока является не бесконечно малой, а конечной величиной, взаимодействие модулятора с потоком описывается функцией, которая не является чистой синусоидой, но отличается от функции прямоугольного вида. Это обстоятельство следует учитывать при разработке высокочувствительных радиометров, когда согласование приемника и усилителя проводят с учетом полного частотного спектра сигнала.

При выборе полосы частот усилительного электронного тракта принимают во внимание то обстоятельство, что с уменьшением полосы частот увеличивается отношение сигнал/шум, но ухудшается быстродействие системы, пропорциональное ширине полосы.

Поле зрения прибора определяется размером чувствительной площадки приемника излучения, имеющей форму квадрата. Если сторона квадрата 2,5-0,33 мм, поле зрения соответственно составляет (12,5-1,5) 10 рад.

Иммерсионная полусферическая линза, находящаяся в оптическом контакте с чувствительной площадкой приемника, увеличивает чувствительность радиометра для малых объектов в 4 раза, а для протяженных- почти в 16 раз. Поле зрения радиометра увеличивается до 3° при длине стороны чувствительной площадки 2,5 мм и фокусном расстоянии объектива 200 мм.

Постоянная времени полупроводникового болометра порядка 1-2 мс; минимальное значение напряжения, снимаемого с болометра, около 1 мкВ. Предварительный усилитель размещают вблизи приемника излучения. Ширину полосы пропускания усилителя сигналов можно регулировать скачкообразно (10; 1 и 0,1 Гц); соответственно изменяются постоянная времени радиометра (0,016; 0,1 и 0,6 с) и минимальное значение облученности объектива, которое может быть зарегистрировано прибором с соотношением сигнал/шум, равным двум (4,6 10 ; 1,5 10 ® и 4,6 х X Ю Вт/см).

Оптическая ось объектива радиометра наводится на объект при помощи телескопического визира с десятикратным увеличением, на сетке которого сделаны отметки, показывающие поле зрения радиометра.

Напряжение U, снимаемое с приемника излучения,

пропорционально разности мощности излучения объекта f и эталонного источника Fo. воспринимаемых приемником:

(/, = S(F,-fo). (2-1)

где S - чувствительность приемника, В/Вт. Мощность излучения эталонного источника

2 >

О

(2.2)

где Lo - расстояние от чувствительной площадки приемника до выходной диафрагмы эталонного источника (черного тела); qo - площадь выходной диафрагмы эталонного источника; Го - абсолютная температура полости черного тела; qn - площадь чувствительной площадки приемника; а - постоянная Стефана - Больцмана (а = 5,67 х

X 10- Вт/м- К*).

При расчете мощности, воспринимаемой приемником от объекта, различают три случая: 1) точечные объекты; 2) протяженные объекты с площадью, охватываемой полем зрения радиометра; 3) протяженные объекты с площадью, выходящей за поле зрения радиометра. Для каждого из этих случаев соответственно величина мощности излучения определяется из выражений

Qo6 .

(2.3)

где / - сила излучения точечного источника; qo6 - площадь объектива; - расстояние между объективом и радиометром; В - лучистость; со - телесный угол, опирающийся на площадь, охватываемую полем зрения радиометра; аЬ1- площадь протяженного объекта.

Подбирая параметры эталонного источника так, чтобы = О, для третьего случая, представляющего наибольший практический интерес, получим Рзх = Fq. Или с учетом