CC BY
33
УДК 621.315.1:681.785.536
ВОЗМОЖНОСТИ РЕГИСТРАЦИИ КОРОННЫХ РАЗРЯДОВ НА ЛИНИЯХ ЭЛЕКТРОПЕРЕДАЧ В УЛЬТРАФИОЛЕТОВОЙ ОБЛАСТИ
СПЕКТРА
М.В. КОЗЛОВ *, В.Ю. КОРНИЛОВ **, Н.Ю. ТРУХИНА ***
* Казанское высшее военное командное училище (Военный институт) ** Казанский государственный энергетический университет *** ФГУП «Государственный институт прикладной оптики, научно-производственное
объединение (ГИПО)»
Рассматриваются возможности регистрации ультрафиолетового излучения в солнечно-слепом диапазоне спектра от различных удаленных объектов. Предложен фильтр для подавления солнечного излучения и методика калибровки приборов по спектрам излучения изучаемых объектов.
Ключевые слова: ультрафиолетовое излучение, солнечно-слепой диапазон, фильтры, подавление солнечного излучения, энергетическая калибровка.
Солнечно-слепой диапазон спектра (185-300 нм), в котором отсутствует солнечное излучение, поглащаемые озоновым слоем в верхних слоях атмосферы, широко используется при решении экологических задач, таких как регистрация ультрафиолетовых излучений в озоновых дырах, черенковского излучения в воде, возникающего под действием радиоактивных веществ, измерения загрязненности воды, исследования биологических объектов, при экспертизе документов, для детектирования энергетических разрядов, источников огня, взрывов и выстрелов, в космических исследованиях, коммуникации и связи, физических исследованиях.
Трудности, возникающие при создании приборов, работающих в этом диапазоне, связаны с необходимостью учета поглощения излучения кислородом и атмосферным аэрозолем, а также необходимостью подавления излучения в видимом диапазоне спектра, которое ухудшает отношение сигнал/шум и резко снижает чувствительность прибора. Создание подобных фильтров -актуальнейшая задача, которая решена единичными разработками, что и сдерживает развитие и применение приборов для солнечно-слепого диапазона.
Ультрафиолетовое излучение солнца поглощается в атмосфере. В диапазоне длин волн к <200 нм его поглощает молекулярный кислород, в диапазоне 185300 нм - озон, а также существенный вклад в ослабление излучения в этой области вносит атмосферный аэрозоль (см., например [1]). Это поглощение приводит к тому, что интенсивность солнечного излучения в приземном слое атмосферы резко уменьшается в ультрафиолетовой области спектра и на длине волны 290 нм достигает значения «10-9 Вт/см2хмкм в то время как на длине волны >400 нм это излучение имеет значение ~1 Вт/см2*мкм. Поэтому в приземных слоях атмосферы можно работать в интервале длин волн 185-300 нм только с подавлением излучения в видимом диапазоне на девять порядков.
Проведенные нами расчеты спектрального коэффициента пропускания т атмосферы при различной дальности видимости показывают (рис. 1), что при дальности видимости 2 км коэффициент пропускания атмосферы на длине волны 280 нм составляет 0,02 и плавно возрастает до 0,6 при дальности видимости 23 км, что позволяет констатировать возможность регистрации излучения на этой длине волны с расстояния в несколько километров.
© М.В. Козлов, В.Ю. Корнилов, Н.Ю. Трухина Проблемы энергетики, 2010, № 9-10
мкм
в)
Рис. 1. Спектральный коэффициент пропускания атмосферы при различной дальности видимости: а) 23 км; б) 10 км; в) 2 км
Расширение интервала длин волн в область более коротких приводит к резкому возрастанию поглощения излучения за счет поглощения аэрозолем и атмосферным кислородом, поэтому интервал длин волн, на которых можно работать при больших расстояниях, ограничивается областью 260-290 нм.
Коронные разряды испускает ультрафиолетовое излучение в области длин волн от 230 до 430 нм. Максимальная интенсивность коронного разряда приходится на длины волн от 300 до 400 нм. Днем солнечная радиация перекрывает излучение коронного разряда в этом спектральном диапазоне, эмиссия короны намного слабее, но зато солнечный фон при этом будет нулевым, из-за поглощения солнечного излучения молекулами озона и кислорода в верхних слоях атмосферы, следует только подавить излучение длиннее 290 нм. Для подобного подавления был разработан оптический фильтр, в котором используется двойной монохроматор с нулевой дисперсией на базе двух идентичных монохроматоров с вогнутыми дифракционными голографическими
решетками в качестве оптического фильтра устройства обнаружения коронного разряда в дневное время суток.
На рис. 2 показана спектральная характеристика, получаемая при использовании данного фильтра.
Рис. 2. Спектральная характеристика двойного монохроматора
При этом положение и ширина полосы пропускания фильтра могут плавно регулироваться: положение - углом поворота решеток, а ширина - величинами щелей монохроматора.
Блок-схема устройства для определения параметров фильтра (рис. 3) включает две вогнутых голографических решетки 1, 2, фотоприемник 3 и систему регистрации 4.
Рис. 3. Блок схема устройства для определения параметров фильтра
Работа устройства осуществляется следующим образом.
Вогнутая дифракционная голографическая решетка 1 направляет требуемый спектральный интервал от 240 до 300 нм на выходную щель-диафрагму первого плеча двойного монохроматора, которая, являясь промежуточной, служит входной щелью-диафрагмой второго плеча двойного монохроматора. Второе плечо конструктивно выполнено так же. Вторая
дифракционная решетка 2 позволяет направить выделенный информационный поток излучения на выходную щель-диафрагму второго плеча двойного монохроматора. При этом радикально решается задача подавления паразитного рассеянного излучения и эффективного использования всего излучения коронного разряда. Далее расположен фотоприемник 3, спектральная чувствительность которого является наиболее оптимальной для регистрации излучения в солнечно-слепом диапазоне спектра. Затем полученный электрический сигнал, после усиления, поступает в систему регистрации 4.
В последнее время появились фотоприемники, которые работают в солнечно-слепом диапазоне с максимальной чувствительностью в области 200 нм, т.е. близкой к границе поглощения атмосферного кислорода, с отсутствием чувствительности в области длин волн >300 нм. К ним относятся приемники на природном алмазе, ЦУ^оп и другие.
Использование вышеописанных приемников позволяет зарегистрировать излучение пламен и разрядов, но поглощение кислородом ограничивает расстояния до нескольких десятков метров, на которых можно проводить регистрацию, однако этого вполне достаточно при решении многих технических задач.
Собранный нами макет прибора с использованием в качестве приемника ЦУ^оп позволяет регистрировать излучение коронного разряда с иглы разрядника в разрядном промежутке игла - плоскость при расстоянии между ними 25 мм, напряжении 15 кВ и токе 40 мА.
На рис. 4 показана зависимость интенсивности свечения короны от напряжения коронного разряда, полученная на данном приборе.
10 12,5
Напряжение, кВ
Рис. 4. Зависимость интенсивности коронного разряда от напряжения при расстоянии
2 метра от прибора
Следует отметить, что излучение короны - это неравновесное излучение, которое не приводит к существенному изменению термодинамической температуры воздуха, а значит и не может быть зарегистрировано тепловизионными приборами. На рис. 5 показана термограмма установки получения коронного разряда, снятая через 30 минут работы короны тепловизором с чувствительностью 0,1 градуса. Как следует из рисунка, повышения температуры в пределах 0,1 градуса не обнаружено. В спектре свечения пламени и разрядов также наблюдается неравновесное излучение в УФ-области, связанное с излучением образующихся продуктов химических реакций (молекулы и радикалы N0, СО, ОН, С2, СН и др.), которые находятся в возбужденном электронном состоянии, а излучаемые ими электронно-колебательно-вращательные полосы лежат в УФ-диапазоне спектра.
а) б)
Рис. 5. Видео (а) и инфракрасное (б) изображение установки коронного разряда
Знание спектров излучения конкретных явлений позволяет использовать приборы, работающие в области 200-250 нм, в качестве энергетической калибровки приборов, работающих в области 260-290 нм. Так, например, энергетические измерения коронного разряда, проведенные с учетом чувствительности UVtron, позволяют сделать заключение, что в области 260290 нм излучение короны будет на три порядка больше, чем в области 200-250 нм, так как интенсивности спектров в этих областях относятся как 1 к 1000.
Таким образом, решение проблем детектирования разрядов, источников огня, взрывов и выстрелов, а также других проблем в солнечно-слепом диапазоне спектра требует четкого выбора спектрального диапазона и конкретизации схем построения приборов.
Summary
We consider the possibility of registration of ultraviolet radiation in the solar-blind range of the spectrum from various remote objects. We suggested a filter to suppress the solar radiation and method of calibration of devices on the spectrums of radiation of the studied objects.
Key words: ultraviolet radiation, solar-blind range, filters, suppression of sun radiation, power calibration.
Литература
1. Лазерный контроль атмосферы под ред. Э.Д. Хинкли. М.: «Мир», 1979. 416 с.
Поступила в редакцию 06 апреля 2010 г.
Козлов Максим Владимирович - заместитель начальника кафедры «Стрельбы» Казанского высшего военного командного училища (Военного института). Тел.: 8 (843) 234-82-58.
Корнилов Владимир Юрьевич - д-р техн. наук, профессор кафедры «Электропривод и автоматизация промышленных установок и технологических комплексов» (ЭПА) Казанского государственного энергетического университета (КГЭУ). Тел.: 8 (843) 519-43-18.
Трухина Наталья Юрьевна - инженер ФГУП «Государственный институт прикладной оптики, научно-производственное объединение (ГИПО)». Тел.: 8 (843) 234-33-82.
