CC BY
15ISSN 0868-5886
НАУЧНОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ, 2005, том 15, № 4, c. 94-97
ОРИГИНАЛЬНЫЕ СТАТЬИ
УДК 535.31; 681.7; 53.082.5
© Е. Н. Котликов, Ю. А. Кузнецов, Н. П. Лавровская, В. К. Прилипко, В. Н. Прокашев
РАЗРАБОТКА МЕТОДИК ДОЗИМЕТРИРОВАНИЯ ДИАПАЗОНОВ А, В И С УЛЬТРАФИОЛЕТОВОГО ИЗЛУЧЕНИЯ СОЛНЦА
Разработаны датчики, регистрирующие ультрафиолетовое излучение (УФИ) в диапазонах: А (315-400) нм, Б (270-315) нм и С (200-270) нм раздельно или вместе. Работа датчиков базируется на предложенном авторами методе регистрации УФ-излучения, которое преобразуется в видимое излучение и затем регистрируется обычными кремниевыми фотодиодами. После преобразования УФИ в видимый свет производится дополнительная фильтрация излучения, в результате которой отсекается все излучение с длинами волн, большими 600 нм.
ВВЕДЕНИЕ
Основные исследования в области измерения ультрафиолетового излучения (УФИ) Солнца направлены на разработку методик измерения в области (200-390) нм (диапазоны А+В+С) [1-3]. В настоящее время существует потребность в дозиметрических измерениях интенсивности излучения в областях А, В, и С УФИ Солнца раздельно [1]. В данной работе описываются методики измерения и разработанные на основе этих методик датчики, с помощью которых можно регистрировать ультрафиолетовое излучение в диапазонах А (315-400) нм, В (270-315) нм и С (200-270) нм раздельно или вместе.
Рис. 1. Спектры пропускания светофильтров. Пояснения в тексте
БАЗОВЫЙ СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЙ
Ранее нами [4, 5] был разработан способ регистрации УФИ, на основе которого изготовлены приемники и дозиметр УФИ для диапазона спектра А+В+С (240-380) нм. Способ заключается в детектировании УФИ, которое преобразуется в видимое излучение и затем регистрируется обычными кремниевыми фотодиодами. Т. к. все известные абсорбционные фильтры УФИ также пропускают излучение в ближней инфракрасной области спектра [6], то после преобразования УФИ в видимый свет производится дополнительная фильтрация излучения, в результате которой отсекается все излучение с длинами волн, большими 600 нм.
На рис. 1 изображены рассчитанные по данным работы [6] спектры пропускания Т одного или группы фильтров. Излучение источника в диапазоне (240-400) нм и более 650 нм пропускается светофильтром УФС-1 — кривая 1 на рис. 1.
Прошедшее через фильтр УФС-1 излучение попадает на фильтр ЖС-19 — кривая 2. При этом УФИ с длинами волн, меньшими 370 нм, поглощается в указанном фильтре и возбуждает в нем люминесценцию с длинами волн в диапазоне (500-600) нм. Таким образом, происходит преобразование ультрафиолетового излучения в видимое. Эффективность этого преобразования определяется пропусканием Т фильтра УФС-1 и квантовым выходом люминесценции светофильтра ЖС-19, пропорциональным его поглощению А = 1--Т2. Таким образом, в диапазоне длин волн до 370 нм чувствительность к УФИ определяется произведением Т1 X(1 -Т2)X(пропускание остальных светофильтров) — Т2 для ЖС-19, Т3 для СЗС-22 в диапазоне спектра (500-600) нм. Преобразование спектра УФ-излучения в видимый диапазон спектра осуществляется для длин волн короче (360-380) нм. Излучение с длинами волн выше указанных также проходит через фильтр ЖС-19 и может попадать на фотоприемник. Спектр излу-
РАЗРАБОТКА МЕТОДИК ДОЗИМЕТРИРОВАНИЯ.
95
чения после ЖС-19 представлен на рис. 1 (кривая 2). Прошедшее излучение поступает на фильтры, выделяющие диапазон спектра (450-600) нм. Для этого используется абсорбционный фильтр СЗС-22, пропускающий длины волн в диапазоне (360-560) нм. Спектр прошедшего и попадающего на фотоприемник излучения представлен на рис. 1 кривой 3. Чувствительность всего датчика для диапазона длин волн, больших 370 нм, в этом случае будет определяться прошедшим светом, т.е. пропорциональна произведению Т хТ2 х Т3. Для фотоприемников УФИ проводилось исследование спектров абсолютной и относительной чувствительности в ГГО им. А.И. Воейкова.
Как уже говорилось выше, в настоящее время существует потребность в дозиметрии диапазонов А, В и С Солнца раздельно. Основной недостаток, определяющий трудность изготовления приемников УФ-излучения, работающих в диапазонах А и В раздельно по описанному выше методу, заключается в отсутствии абсорбционных фильтров, которые бы выделяли только УФИ в диапазоне В (270-315) нм. Нижнюю границу абсорбционных фильтров можно варьировать в диапазоне (240320) нм, но при этом всегда длинноволновая граница лежит в области длин волн от 370 до 420 нм.
НОВАЯ МЕТОДИКА
Для устранения этого недостатка нами предложены методики измерения, на основании которых реализованы другие варианты датчиков — преобразователей УФИ: Ф2, Ф3, Ф4 и Ф5. Они могут быть использованы для измерения интенсивности ультрафиолетового диапазона спектра излучения естественных и искусственных источников в диапазонах А (315-380) нм и В (270-315) нм раздельно или вместе.
Конструктивно датчики для диапазонов А+В+С (Ф2), А+В (Ф3) или А (Ф4) выполнены одинаково. Их отличие состоит в том, что в датчике Ф4 используется светофильтр из стекла УФС-6 толщиной 4 мм, в датчике Ф3 для диапазона А+В — УФС-2 толщиной 2 мм, в датчике Ф2 для диапазона А+В+С — УФС-1 или УФС-5 толщиной 3 мм. Толщина светофильтра выбиралась таким образом, чтобы обеспечить требуемые коротковолновые и длинноволновые границы пропускания УФИ. В качестве преобразователей УФИ в видимый диапазон спектра использовались люминофоры типа ФЛ-447 или Э-515-115. Спектр поглощения этих люминофоров лежит в области (200-400) нм, а максимум в спектре люминесценции — (450-550) нм. В таблице и на рис. 2 приведены рассчитанные спектры
Нормированные спектры чувствительности датчиков УФИ
Длина волны нм Ф1 Ф2 Ф3 Ф4 Ф5
240 0.11 0.09 0 0 0
260 0.62 0.56 0.05 0 0.05
280 0.87 0.96 0.64 0 0.59
300 0.98 1.00 0.92 0.014 1.00
320 1.00 0.96 0.92 0.4 0.42
340 0.70 0.99 1.00 0.95 0.11
360 0.19 0.90 0.90 1.00 0.06
380 0.10 0.81 0.34 0.51 0
400 0.02 0.18 0 0 0
420 0.004 0.005 0 0 0
440 0 0 0 0 0
500 0 0 0 0 0
1500 0 0 0 0 0
Примечание. Ф1 — датчик для диапазона (240-380) нм, Ф2 — (240-400) нм, Ф3 — (270-380) нм, Ф4 — (320-380) нм, Ф5 — (270-320) нм.
96
Е. Н. КОТЛИКОВ и др.
240 260 280 300 320 340 360 380 400 420 440 Длина волны, нм
Рис. 2. Спектры чувствительности датчиков УФИ
Ф2 Ф3 Ф4
чувствительности этих датчиков, а также обсуждавшегося ранее датчика Ф1.
Рассмотрим более подробно предложенный нами датчик Ф5 для диапазона В (270-320) нм УФИ. Он состоит из кремниевого фотоприемника в виде пластины (9х18) мм, на которой расположены два светофильтра из УФС-2 и СЗС-23 размером (8х15) мм разной толщины. Излучение источника в диапазоне (240-380) нм и более 650 нм выделяется светофильтром УФС-2 толщиной 2 мм. С обратной стороны на светофильтр наносится слой люминофора типа ФЛ-530 или ФЛ-543-1. Эти люминофоры поглощают и преобразуют излучение в диапазоне до 320 нм. Спектр люминесценции содержит линии в области (500-600) нм. Люминесцирующее излучение проходит через фильтр из СЗС-23 и дополнительное интерференционное покрытие и поступает на фотоприемник. Дополнительное интерференционное покрытие отрезает излучение в диапазоне до 450 нм. Это необходимо, т. к. УФИ в диапазоне (320-400) нм проходит напрямую через все фильтры и регистрировалось бы кремниевым фотоприемником. Дополнительно интерференционное покрытие блокирует излучение в этом диапазоне и пропускает практически полностью люминесцентное излучение. Спектр чувствительности датчика приведен в таблице и на рис. 2.
Все описанные выше датчики изготавливались и проходили тестирование. На основе разработанных датчиков были созданы опытные образцы радиометра УФИ типа "ФИОЛЕНТ", в котором использовался датчик Ф1 [7].
Работа проводилась в рамках гранта по фунда-
ментальным исследованиям в области технических наук (приборостроение).
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Белинский В.А. и др. Ультрафиолетовая радиация солнца и неба. М.: Изд-во МГУ, 1968. 320 с.
2. Канагава Агата. Чувствительный элемент для датчика ультрафиолетового излучения. Пат. Японии. 5-35976. 1993.
3. Geret zur Messung von naturlicher und kunstlicher UV-Strahlung. Пат. Германии. DE 4217968 А1. 1993.
4. Котликов Е.Н., Кузнецов Ю.А., Шестун А.Н. Способ измерения интенсивности ультрафиолетового излучения. Патент РФ № 2094757, приоритет от 05.02.93.
5. Котликов Е.Н., Кузнецов Ю.А., Шестун А.Н. Способ измерения интенсивности ультрафиолетового излучения // Сб. Тез. МК Brussels Eureka 96. Brussel. 1996.
6. Каталог цветного стекла. Л.: Машиностроение. 1967. 64 с.
7. Котликов Е.Н., Кузнецов Ю.А., Шес-тун А. Н. Радиометр УФ излучения ФИОЛЕНТ // Сб. Тез. МК EWI-97. Sofia, Bulgaria, 1997.
Санкт-Петербургский государственный университет аэрокосмического приборостроения
Материал поступил в редакцию 25.04.2005.
РАЗРАБОТКА МЕТОДИК ДОЗИМЕТРИРОВАНИЯ.
97
DEVELOPMENT OF DOSIMETERY METHODS FOR RANGES A, B AND C OF UV SOLAR RADIATION
E. N. Kotlikov, Yu. A. Kuznetsov, N. P. Lavrovskaya, V. K. Prilipko, V. N. Prokashev
Saint-Petersburg State University of Aerospace Instrumentation
The paper presents devices for the dosimetry of ultraviolet radiation (UVR) in the ranges: A (0.315^0.4) ^m, B (0.27^0.315) ^m and C (0.2^0.27) ^m separately and simultaneously. Their principle is based on the author's method of UVR detection: UVR is transformed to the visible light and then it is detected by usual silicon photodiodes. As all known UVR absorption filters transmit the radiation also in the near infrared range, of additional filtration, the radiation is performed to eliminate radiation with wavelengths above 0.6 ^m.
