RU104709U1 - DEVICE FOR DETECTING UV RADIATION IN THE UV-RANGE - Google Patents

Abstract

1. Устройство для детектирования ультрафиолетового излучения в УФ-С диапазоне, содержащее объектив, блок детектирования излучения и блок питания, отличающееся тем, что в качестве блока детектирования излучения применен монофотонный время-координатно-чувствительный датчик, который подключен к блоку электроники, обеспечивающему управление и обработку данных, полученных с блока детектирования, причем блок электроники соединен с внешним модулем отображения или компьютером. ! 2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что объектив содержит линзы, кристалл, обеспечивающий пропускание волн излучения заданного УФ-С диапазона и подавление волн солнечного излучения других диапазонов, а также фильтры ультрафиолетового излучения. ! 3. Устройство по п.2, отличающееся тем, что объектив обеспечивает пропускание длин волн в диапазоне 250-280 нм. ! 4. Устройство по п.1, отличающееся тем, что монофотонный время-координатно-чувствительный датчик содержит последовательно установленные фотокатод, сборку микроканальных пластин, систему корректирующих линз и коллектор, позволяющий определять угловые координаты источника УФ-С излучения и время прихода фотона УФ-С излучения с наносекундной точностью. ! 5. Устройство по п.1, отличающееся тем, что блок детектирования подключен к видеокамере, синхронизированной с ним по времени работы и позволяющей документировать результаты съемок. 1. A device for detecting ultraviolet radiation in the UV-C range, comprising a lens, a radiation detection unit, and a power supply, characterized in that a monophotic time-coordinate-sensitive sensor is used as a radiation detection unit, which is connected to an electronics unit that controls and processing data received from the detection unit, the electronics unit being connected to an external display module or a computer. ! 2. The device according to claim 1, characterized in that the lens contains lenses, a crystal that allows transmission of radiation waves of a given UV-C range and suppression of solar radiation waves of other ranges, as well as ultraviolet filters. ! 3. The device according to claim 2, characterized in that the lens provides transmission of wavelengths in the range of 250-280 nm. ! 4. The device according to claim 1, characterized in that the monophotonic time-coordinate-sensitive sensor contains sequentially installed photocathode, an assembly of microchannel plates, a system of corrective lenses and a collector that allows you to determine the angular coordinates of the UV-C radiation source and the time of arrival of the UV-C photon radiation with nanosecond accuracy. ! 5. The device according to claim 1, characterized in that the detecting unit is connected to a video camera synchronized with it in terms of operating time and allowing to document the results of surveys.

Description

Заявляемая полезная модель относится к фотометрии, а более конкретно к устройству для детектирования ультрафиолетового излучения в так называемом УФ-С диапазоне (200-280 нм).The inventive utility model relates to photometry, and more particularly to a device for detecting ultraviolet radiation in the so-called UV-C range (200-280 nm).

Интерес к этой области обусловлен тем, что УФ диапазон имеет сравнительно низкий уровень фоновых помех. Основным источником естественных помех оптического диапазона является солнечная радиация. Однако благодаря озоновому слою планеты, а также атмосфере, основная часть солнечной УФ радиации блокируется.Interest in this area is due to the fact that the UV range has a relatively low level of background noise. The main source of natural interference in the optical range is solar radiation. However, due to the ozone layer of the planet, as well as the atmosphere, the bulk of the solar UV radiation is blocked.

Отсутствие естественных помех, обусловленных солнечной радиацией, низкий уровень фоновых помех в УФ-С диапазоне, делает этот солнечнослепой диапазон весьма привлекательным для создания фотоприемной аппаратуры, решающей различные технические задачи.The absence of natural interference caused by solar radiation, the low level of background noise in the UV-C range, makes this sun-blind range very attractive for creating photodetector equipment that solves various technical problems.

Известно устройство для детектирования ультрафиолетового излучения в УФ-С диапазоне (патент США №6104297, «Corona discharge detection system», МПК G08B 17/12; опубл. 15 августа 2000 г.), которое регистрирует УФ-С излучение в диапазоне 185-260 нм. Известное устройство содержит объектив, блок детектирования излучения и блок питания. Блок детектирования генерирует электрический сигнал в ответ на регистрацию ультрафиолетового излучения в заданном диапазоне. Затем этот электрический сигнал генерирует сигнал тревоги. Кроме того, эта система может дополняться устройством определения направления источника ультрафиолетового излучения.A device for detecting ultraviolet radiation in the UV-C range (US patent No. 6104297, "Corona discharge detection system", IPC G08B 17/12; publ. August 15, 2000), which detects UV-C radiation in the range 185-260 nm The known device contains a lens, a radiation detection unit and a power supply. The detection unit generates an electrical signal in response to the registration of ultraviolet radiation in a given range. Then this electrical signal generates an alarm. In addition, this system can be supplemented by a device for determining the direction of the source of ultraviolet radiation.

Существенным недостатком этой системы детектирования УФ-С излучения, предназначенной для дистанционной диагностики высоковольтных линий электропередач, является то, что с его помощью можно только получить сигнал тревоги о наличии УФ-С излучения и только с помощью дополнительного устройства определить направление источника этого сигнала. Получить какую-либо количественную информацию и сделать соответствующие выводы о состоянии элементов высоковольтных установок переменного тока невозможно.A significant drawback of this UV-C radiation detection system, designed for remote diagnostics of high-voltage power lines, is that with its help you can only receive an alarm about the presence of UV-C radiation and only with the help of an additional device determine the direction of the source of this signal. It is impossible to obtain any quantitative information and draw appropriate conclusions about the state of the elements of high-voltage AC installations.

Технической задачей настоящего изобретения является создание универсального устройства для детектирования ультрафиолетового излучения в УФ-С диапазоне с возможностью определения не только координат регистрируемого УФ фотона и нахождения, таким образом, угловых координат источника излучения, но и определение времени его прихода с не точностью.An object of the present invention is to provide a universal device for detecting ultraviolet radiation in the UV-C range with the possibility of determining not only the coordinates of the detected UV photon and thus finding the angular coordinates of the radiation source, but also determining the time of its arrival with inaccuracy.

Техническим результатом является возможность нахождения временной зависимости регистрируемой интенсивности УФ-С излучения, частотного ее анализа и определения на этой основе, как типа регистрируемого источника, так и высокочастотных особенностей излучения.The technical result is the possibility of finding the time dependence of the recorded intensity of UV-C radiation, its frequency analysis and determination on this basis, both the type of the recorded source and the high-frequency characteristics of the radiation.

Поставленные техническая задача и результат достигаются в результате того, что в устройстве для детектирования ультрафиолетового излучения в УФ-С диапазоне, содержащем объектив, блок детектирования излучения и блок питания, в качестве блока детектирования излучения применен монофотонный время-координатно-чувствительный датчик, который подключен к блоку электроники, обеспечивающему управление и обработку данных, полученных с блока детектирования, причем блок электроники соединен с внешним модулем отображения или компьютером. Объектив устройства содержит линзы, кристалл, обеспечивающий пропускание волн излучения заданного УФ-С диапазона и подавление волн солнечного излучения других диапазонов, а также фильтры ультрафиолетового излучения. При этом объектив обеспечивает пропускание длин волн в диапазоне 250-280 нм. Монофотонный время-координатно-чувствительный датчик, содержит последовательно установленные фотокатод, сборку микроканальных пластин, систему корректирующих линз и коллектор, позволяющий определять угловые координаты источника УФ-С излучения и время прихода фотона УФ-С излучения с не точностью. Блок детектирования может быть подключен к видеокамере, синхронизированной с ним по времени работы и позволяющей документировать результаты съемок.The technical task and result are achieved as a result of the fact that in the device for detecting ultraviolet radiation in the UV-C range, comprising a lens, a radiation detection unit and a power supply, a monophoton time-coordinate-sensitive sensor is used as a radiation detection unit, which is connected to an electronics unit providing control and processing of data received from the detection unit, the electronics unit being connected to an external display module or a computer. The device’s lens contains lenses, a crystal, which allows transmission of radiation waves of a given UV-C range and suppression of solar radiation waves of other ranges, as well as ultraviolet radiation filters. In this case, the lens provides transmission of wavelengths in the range of 250-280 nm. The monophotonic time-coordinate-sensitive sensor contains a sequentially installed photocathode, an assembly of microchannel plates, a system of corrective lenses and a collector that allows you to determine the angular coordinates of the UV-C radiation source and the time of arrival of the UV-C photon with inaccuracy. The detecting unit can be connected to a video camera synchronized with it in terms of operating time and allowing to document the results of surveys.

Существо полезной модели поясняется на представленных фигурах.The essence of the utility model is illustrated in the figures.

Фиг.1 - схема устройства для детектирования ультрафиолетового излучения в УФ-С диапазоне.Figure 1 - diagram of a device for detecting ultraviolet radiation in the UV-C range.

Фиг.2 - схема монофотонного время-координатно-чувствительного датчика.Figure 2 - diagram of a monophotonic time-coordinate-sensitive sensor.

Фиг.3 - фотография разработанного и испытанного устройства для детектирования ультрафиолетового излучения в УФ-С диапазоне под названием «Корона».Figure 3 is a photograph of a developed and tested device for detecting ultraviolet radiation in the UV-C range under the name "Corona".

Устройство содержит объектив - 1, в котором используются линзы - 2, кристаллы 3 и УФ-фильтры 4, обеспечивающие пропускание заданного УФ-С диапазона и подавление других длин волн, блок детектирования излучения, в качестве которого применен монофотонный время-координатно-чувствительный датчик (ВКЧД) - 5, блок электроники - 6, блок питания - 7 и модуль отображения или внешнего компьютера - 8.The device contains a lens - 1, in which lenses - 2, crystals 3 and UV filters 4 are used, which ensure transmission of the specified UV-C range and suppression of other wavelengths, a radiation detection unit, which uses a monophoton time-coordinate-sensitive sensor ( VKCHD) - 5, the electronics unit - 6, the power supply - 7, and the display module or external computer - 8.

Устройство работает следующим образом. Фотон “ν” от источника УФ-С излучения попадает в объектив 1. Объектив служит для формирования изображения на поверхности фотокатода ВКЧД 5. Объектив пропускает фотоны УФ-С излучения и подавляет все остальные длины волн. Коэффициент подавления фотонов с длинами волн отличными от УФ-С излучения благодаря оптической системе и ВКЧД может достигать 10^-14. Вследствие этого и обеспечивается солнечно-слепой режим регистрации УФ-С излучения, и устройство может работать в условиях интенсивного солнечного излучения, попадающего в объектив. Прошедший через объектив 1 фотон УФ-С излучения попадает на фотокатод ВКЧД. Схема ВКЧД представлена на фиг.2. ВКЧД содержит фотокатод 11, сборку из микроканальных пластин (МКП) - 12, 13, систему корректирующих линз 14-16 и коллектор - 17. Выбитый из фотокатода 1 фотоэлектрон “е” попадает на сборку из микроканальных пластин (МКП) - 12, 13, где на основе электронной лавины происходит размножение электронов. На выходе из второй МКП лавина электронов проходит систему корректирующих линз 14-16 и попадает на коллектор - 17.The device operates as follows. The photon “ν” from the UV-C radiation source enters the lens 1. The lens serves to form an image on the surface of the photocathode VCPD 5. The lens transmits UV-C radiation photons and suppresses all other wavelengths. The suppression coefficient of photons with wavelengths other than UV-C radiation due to the optical system and VCPD can reach 10 ^-14 . As a result of this, a sun-blind mode for detecting UV-C radiation is provided, and the device can operate in conditions of intense solar radiation entering the lens. The UV-C photon transmitted through the lens 1 enters the VCPD photocathode. Scheme VCPD presented in figure 2. The VKChD contains a photocathode 11, an assembly of microchannel plates (MCP) - 12, 13, a system of corrective lenses 14-16 and a collector - 17. The photoelectron “e” knocked out of the photocathode 1 enters the assembly of microchannel plates (MCP) - 12, 13, where, based on the electron avalanche, electron multiplication occurs. At the exit of the second MCP, an electron avalanche passes through a system of corrective lenses 14-16 and enters a collector - 17.

Коллектор 17 имеет сложную конструкцию (например, в виде системы квадрантов или клинья полосатую конструкцию), которая позволяет определять центр электронной лавины, который соответствует координате попавшего на фотокатод фотона (центр лавины условно считается координатой попадания фотона на фотокатод). Так как всегда имеет место искажение формы достигающей коллектор электронной лавины (особенно на краях коллектора), то должна производиться калибровка по измерению координат известного по положению источника и на основе этой калибровки проведение коррекции измеренных координат прихода фотонов.The collector 17 has a complex structure (for example, in the form of a system of quadrants or wedges with a striped structure), which allows you to determine the center of the electron avalanche, which corresponds to the coordinate of the photon incident on the photocathode (the center of the avalanche is conventionally considered the coordinate of the photon entering the photocathode). Since there is always a distortion in the shape of the electron avalanche reaching the collector (especially at the edges of the collector), calibration should be performed by measuring the coordinates of a source known from the position and, based on this calibration, correcting the measured coordinates of the arrival of photons.

Время прихода фотона с точностью порядка 1 нс и лучше определяется по сигналу, который может, например, сниматься с пластины МКП, коллектора или дополнительного электрода в виде сетки между МКП и коллектором.The photon arrival time with an accuracy of the order of 1 ns and is better determined by the signal, which can, for example, be removed from the plate of the MCP, collector or additional electrode in the form of a grid between the MCP and the collector.

Электроника, включающая процессор, обеспечивает управление работой ВКЧД, обработку сигналов с коллектора, проведение исправлений координат согласно заранее проведенным калибровочным измерениям. Эта электроника также производит хранение координат и время прихода фотонов. Электроника имеет разъем, позволяющий подключать внешний модуль отображения или компьютер для более сложной обработки и визуализации данных, полученных устройством (в мобильном варианте прибор комплектуется автономным источником питания).The electronics, including the processor, provide control of the VCHD operation, processing signals from the collector, and making corrections of coordinates according to previously performed calibration measurements. This electronics also stores coordinates and the time of arrival of photons. Electronics has a connector that allows you to connect an external display module or computer for more complex processing and visualization of data received by the device (in the mobile version, the device is equipped with an autonomous power source).

Встроенный процессор производит определение координат источника УФ-С излучения, проведение исправлений координат согласно заранее проведенным калибровочным измерениям, и проводит частотный анализ амплитудно-временных характеристик регистрируемого сигнала. Управляющая программа позволяет накапливать координаты сигналов с сенсора и выводить их на экран модуля отображения или компьютера в виде двумерной картинки.The built-in processor determines the coordinates of the UV-C radiation source, makes corrections of coordinates according to pre-made calibration measurements, and performs a frequency analysis of the amplitude-time characteristics of the recorded signal. The control program allows you to accumulate the coordinates of the signals from the sensor and display them on the screen of the display module or computer in the form of a two-dimensional picture.

Частотный анализ время-амплитудной зависимости интенсивности регистрируемого УФ излучения может проводится различными методами, в частности, методом Фурье, методом вейвлет преобразований и т.п.Frequency analysis of the time-amplitude dependence of the intensity of the detected UV radiation can be carried out by various methods, in particular, the Fourier method, the wavelet transform method, etc.

Предложенное устройство может быть снабжено видеокамерой, синхронизированной по времени с работой сенсора. Это позволяет документировать результаты съемок.The proposed device can be equipped with a video camera synchronized in time with the operation of the sensor. This allows you to document the results of filming.

Кроме того, можно использовать два и более предложенных устройств, образующих базу, и обеспечивающих больший (вплоть до кругового) обзор местности. Это также позволяет определять дальность до источника излучения УФ-С излучения методом триангуляции.In addition, you can use two or more of the proposed devices that form the base, and providing a larger (up to a circular) view of the terrain. It also allows you to determine the distance to the UV-C radiation source by triangulation.

На фиг.3 приведена фотография разработанного и испытанного устройства для детектирования ультрафиолетового излучения в УФ-С диапазоне под названием «Корона». Основные характеристики перечислены в таблице.Figure 3 shows a photograph of a developed and tested device for detecting ultraviolet radiation in the UV-C range under the name "Corona". Key features are listed in the table.

1.one. Поле зрения, градусыField of view, degrees 120120 2.2. Точность оценки координат точки, град.Accuracy of point coordinate estimation, deg. лучше 0,2better than 0.2 3.3. Временное разрешение, нсTime resolution, ns лучше 1better 1 4.four. Энергопотребление, ВтPower consumption, W 20twenty 5.5. Возможность работы в условиях перерывов питания, секAbility to work in conditions of power interruptions, sec до 5up to 5

6.6. Масса, кгWeight kg 55 7.7. Операционная система реального времениReal time operating system LinuxLinux 8.8. Спектральный диапазон, нмSpectral range, nm 250-280250-280 9.9. Рабочая температура, СOperating temperature, C От -55 до +60From -55 to +60 10.10. Объем внутренней памяти для хранения данных, ГбThe amount of internal memory for data storage, GB 8 Гб8 GB 11.eleven. Интенсивность шумовых фотонов со всей поверхности фотокатода, 1/сThe intensity of noise photons from the entire surface of the photocathode, 1 / s 100one hundred 1313 Габариты L^∗W^∗H, ммDimensions L ^∗ W ^∗ H, mm 250^∗170^∗178250 ^∗ 170 ^∗ 178

Разработанное устройство может найти применение в самых различных областях, как науки, так и техники. Одним из практически важных приложений является использование этого устройства для дистанционной диагностики электроустановок переменного тока высокого напряжения и, в частности, линий электропередач. Это связано с тем, что на таких электроустановках, и особенно на электроизоляторах ЛЭП возникает коронный разряд, при котором возникает УФ излучение. При нарушениях электроизоляторов в коронном разряде начинают возникать так называемые частичные разряды (ЧР). Эти ЧР, с одной стороны, свидетельствуют о неисправностях изоляторов, а с другой стороны, ведут к еще большему разрушению этого изолятора. Наличие возможности время-амплитудного анализа позволяет при использовании разработанного устройства не только регистрировать наличие коронного разряда, но и проводить количественные оценки интенсивности частичных разрядов и некоторых других важных характеристик коронного разряда.The developed device can find application in various fields of both science and technology. One of the practically important applications is the use of this device for remote diagnostics of electrical installations of high voltage AC and, in particular, power lines. This is due to the fact that in such electrical installations, and especially on electrical insulators of power lines, a corona discharge occurs, in which UV radiation occurs. With violations of electrical insulators in the corona discharge, the so-called partial discharges (PD) begin to occur. These PDs, on the one hand, indicate malfunctions of the insulators, and on the other hand, lead to even greater destruction of this insulator. The availability of time-amplitude analysis allows using the developed device not only to detect the presence of a corona discharge, but also to conduct quantitative estimates of the intensity of partial discharges and some other important characteristics of a corona discharge.

Разработанное устройство может также применяться для регистрации временной зависимости при исследования процессов горения. Возможность такой регистрации процессов возгорания при наличии интенсивного солнечного излучения также может найти интересные приложения в технике.The developed device can also be used to record the time dependence in the study of combustion processes. The possibility of such registration of ignition processes in the presence of intense solar radiation can also find interesting applications in technology.

Предложенное устройство может использоваться в системах оптической локации. Возможным решением данной задачи является применение оптического локатора в УФ-С диапазоне длин волн, состоящего из широкоугольного источника УФ-С излучения, «подсвечивающего» объект, и предложенного устройства для детектирования ультрафиолетового излучения в УФ-С диапазоне.The proposed device can be used in optical location systems. A possible solution to this problem is the use of an optical locator in the UV-C wavelength range, consisting of a wide-angle source of UV-C radiation, "illuminating" the object, and the proposed device for detecting ultraviolet radiation in the UV-C range.

Также предложенное устройство может использоваться для регистрации маяков, излучающих в УФ-С диапазоне, в сложных погодных условиях.Also, the proposed device can be used to register beacons emitting in the UV-C range in difficult weather conditions.

Предложенное устройство дает возможность обнаружения и изучения динамики процесса горения путем регистрации ультрафиолетовой части излучения. Это позволяет обнаруживать очаги возгорания на ранних стадиях в условиях интенсивного солнечного излучения, а также в случае отсутствия излучения при горении в видимой части спектра.The proposed device makes it possible to detect and study the dynamics of the combustion process by registering the ultraviolet part of the radiation. This makes it possible to detect foci of ignition in the early stages under conditions of intense solar radiation, as well as in the absence of radiation during combustion in the visible part of the spectrum.

Координаты источника УФ-С излучения, найденные предложенным устройством, можно использовать в качестве указания для наведения в область его расположения дополнительного гиперспектрометра, расположенного рядом с предлагаемым устройством. Гиперспектрометр обеспечивает проведение гиперспектрального анализа местности, окружающей источник, и построение видеоизображения с градациями химического состава местности (гиперспектрометрия является фактически дистанционным химическим анализом). Это обеспечивает возможность выявления последствий воздействия УФ излучения на окружающую среду, и проводить селекцию такого воздействия от артефактов. Например, при обнаружении коронного разряда на изоляторе линии электропередач проведение гиперспектрального анализа позволит определить степень разрушения изолятора. В то же время, определение с помощью гиперспектрометра наличия влаги на поверхности изолятора или наличие на его поверхности загрязнений от птиц позволяет избавиться от артефактов, связанных с погодными условиями или факторами прямо не связанными с разрушением изоляторов.The coordinates of the UV-C radiation source found by the proposed device can be used as an indication for pointing an additional hyperspectrometer located next to the proposed device in the region of its location. A hyperspectrometer provides a hyperspectral analysis of the area surrounding the source, and the construction of a video image with gradations of the chemical composition of the area (hyperspectrometry is actually a remote chemical analysis). This makes it possible to identify the effects of UV radiation on the environment, and to select such effects from artifacts. For example, when a corona discharge is detected on a power line insulator, a hyperspectral analysis will determine the degree of destruction of the insulator. At the same time, using a hyperspectrometer to determine the presence of moisture on the surface of the insulator or the presence of pollution from birds on its surface allows you to get rid of artifacts related to weather conditions or factors not directly related to the destruction of insulators.

Claims (5)

1. Устройство для детектирования ультрафиолетового излучения в УФ-С диапазоне, содержащее объектив, блок детектирования излучения и блок питания, отличающееся тем, что в качестве блока детектирования излучения применен монофотонный время-координатно-чувствительный датчик, который подключен к блоку электроники, обеспечивающему управление и обработку данных, полученных с блока детектирования, причем блок электроники соединен с внешним модулем отображения или компьютером.1. A device for detecting ultraviolet radiation in the UV-C range, comprising a lens, a radiation detection unit, and a power supply, characterized in that a monophotic time-coordinate-sensitive sensor is used as a radiation detection unit, which is connected to an electronics unit that controls and processing data received from the detection unit, the electronics unit being connected to an external display module or a computer. 2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что объектив содержит линзы, кристалл, обеспечивающий пропускание волн излучения заданного УФ-С диапазона и подавление волн солнечного излучения других диапазонов, а также фильтры ультрафиолетового излучения.2. The device according to claim 1, characterized in that the lens contains lenses, a crystal that allows transmission of radiation waves of a given UV-C range and suppression of solar radiation waves of other ranges, as well as ultraviolet filters. 3. Устройство по п.2, отличающееся тем, что объектив обеспечивает пропускание длин волн в диапазоне 250-280 нм.3. The device according to claim 2, characterized in that the lens provides transmission of wavelengths in the range of 250-280 nm. 4. Устройство по п.1, отличающееся тем, что монофотонный время-координатно-чувствительный датчик содержит последовательно установленные фотокатод, сборку микроканальных пластин, систему корректирующих линз и коллектор, позволяющий определять угловые координаты источника УФ-С излучения и время прихода фотона УФ-С излучения с наносекундной точностью.4. The device according to claim 1, characterized in that the monophotonic time-coordinate-sensitive sensor contains sequentially installed photocathode, an assembly of microchannel plates, a system of corrective lenses and a collector that allows you to determine the angular coordinates of the UV-C radiation source and the time of arrival of the UV-C photon radiation with nanosecond accuracy. 5. Устройство по п.1, отличающееся тем, что блок детектирования подключен к видеокамере, синхронизированной с ним по времени работы и позволяющей документировать результаты съемок.

5. The device according to claim 1, characterized in that the detecting unit is connected to a video camera synchronized with it in terms of operating time and allowing to document the results of surveys.