RU2094757C1 - Method of determination of ultraviolet radiation intensity - Google Patents

Abstract

FIELD: optical engineering. SUBSTANCE: ultraviolet radiation being measured is transformed to visible spectrum range by means of optical frequency converter and is supplied to filter which passes visible spectrum radiation with wave length not exceeding 0.6 mcm. Then it is applied to photodiode which registers visible spectrum range the intensity of which is directly proportional to intensity of ultraviolet radiation being measured. EFFECT: higher measurement results. 2 dwg

Description

Изобретение относится к оптическому приборостроению и может быть использовано для измерения интенсивности ультрафиолетового диапазона спектра излучения естественных и искусственных источников. The invention relates to optical instrumentation and can be used to measure the intensity of the ultraviolet range of the radiation spectrum of natural and artificial sources.

Для обнаружения ультрафиолетового излучения (УФИ) и регистрации его интенсивности используют способ преобразования УФИ в видимый диапазон спектра с последующей регистрацией видимого диапазона спектра фотоприемниками [1] Диапазон ультрафиолетового спектра излучения предварительно выделяют из общего излучения спектральными приборами или специальными фильтрами [1] в качестве которых могут быть использованы абсорбционные фильтры [2]
Использование громоздких спектральных приборов, в которых УФИ выделяется оптическими системами с призмами или дифракционными решетками, не позволяет в принципе создать портативные устройства для регистрации УФИ. Интерференционные фильтры [1] выделяют узкий спектральный диапазон и не позволяют проводить измерение интенсивности во всем УФ-диапазоне.To detect ultraviolet radiation (UVI) and register its intensity, use the method of converting UVI into the visible range of the spectrum with subsequent registration of the visible range of the spectrum by photodetectors [1] The range of the ultraviolet radiation spectrum is preliminarily extracted from the total radiation by spectral devices or special filters [1] which can absorption filters to be used [2]
The use of bulky spectral instruments in which UV radiation is distinguished by optical systems with prisms or diffraction gratings does not allow, in principle, the creation of portable devices for UV radiation detection. Interference filters [1] emit a narrow spectral range and do not allow the measurement of intensity over the entire UV range.

Сложность измерения УФИ с помощью способа, в котором УФИ предварительно выделяется абсорбционными фильтрами, преобразовывается в видимый диапазон и видимый диапазон регистрируется фотоприемником, заключается в следующем. Используемые обычно фотоприемники обладают высокой чувствительностью не только к видимому спектру излучения, но и к более длинноволновому излучению, например к ближнему инфракрасному излучению (ИКИ), т.е. они регистрируют излучение в диапазоне спектра до 1 мкм. Доля УФИ в излучении обычных источников (ламп, солнца) мала. Так, в солнечном спектре доля всего УФИ составляет менее 3% от излучения в видимом и ближнем ИК-диапазонах спектра. Все известные абсорбционные фильтры УФИ [2] пропускают не только излучение УФ-диапазона спектра, но и излучение с длинами волн более 0,60-0,65 мкм. Поэтому применение фильтров не позволяет полностью выделить только УФИ. The difficulty of measuring UV radiation using a method in which UV radiation is preliminarily separated by absorption filters is converted into the visible range and the visible range is recorded by a photodetector, as follows. Typically used photodetectors are highly sensitive not only to the visible emission spectrum, but also to longer wavelengths, for example, near infrared radiation (IR), i.e. they record radiation in the spectral range up to 1 μm. The fraction of ultraviolet radiation in the radiation of ordinary sources (lamps, the sun) is small. So, in the solar spectrum, the fraction of total UVI is less than 3% of the radiation in the visible and near infrared ranges of the spectrum. All known UV absorption filters [2] transmit not only the radiation of the UV spectrum, but also radiation with wavelengths of more than 0.60-0.65 μm. Therefore, the use of filters does not allow to fully isolate only UVI.

Как показал поиск по патентной и научно-технической литературе, предлагаемый способ измерения УФИ не известен на уровне современной техники, следовательно, изобретение обладает новизной. As shown by the search in patent and scientific and technical literature, the proposed method for measuring UVI is not known at the level of modern technology, therefore, the invention has novelty.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому эффекту к предлагаемому изобретению является способ определения интенсивности ультрафиолетового излучения, при осуществлении которого ультрафиолетовое излучение выделяют фильтрами из общего спектра, преобразуют его в видимое излучение, интенсивность которого пропорциональна интенсивности ультрафиолетового излучения, и регистрируют фотоприемником [1]
Однако использование абсорбционных фильтров УФИ, как было указано выше, не позволяет полностью избавиться от излучения с длинами волн больше 0,6 мкм. При использовании такого способа интенсивность регистрируемого излучения с длинами волн больше 0,6 мкм сравнима с интенсивностью регистрируемого УФИ, что существенно снижает чувствительность способа.The closest in technical essence and the achieved effect to the proposed invention is a method for determining the intensity of ultraviolet radiation, in which ultraviolet radiation is isolated by filters from the general spectrum, converted into visible radiation, the intensity of which is proportional to the intensity of ultraviolet radiation, and recorded by a photodetector [1]
However, the use of UV absorption filters, as mentioned above, does not completely eliminate radiation with wavelengths greater than 0.6 μm. When using this method, the intensity of the detected radiation with wavelengths greater than 0.6 μm is comparable with the intensity of the detected UVI, which significantly reduces the sensitivity of the method.

Целью изобретения является повышение чувствительности измерения интенсивности УФИ во всем диапазоне спектра УФИ. The aim of the invention is to increase the sensitivity of measuring the intensity of UV radiation over the entire spectrum of the UV spectrum.

Поставленная цель достигается тем, что в способе измерения интенсивности ультрафиолетового излучения, при осуществлении которого ультрафиолетовое излучение выделяют из общего спектра специальными фильтрами, преобразуют его в видимое излучение, интенсивность которого пропорциональна интенсивности ультрафиолетового излучения, затем подают на фильтр, установленный перед фотоприемником и пропускающий только видимое излучение с длинами волн, меньшими 0,6 мкм, и регистрируют фотоприемником, при этом выделение УФИ осуществляется с помощью абсорбционных фильтров. This goal is achieved by the fact that in the method of measuring the intensity of ultraviolet radiation, in which ultraviolet radiation is separated from the general spectrum by special filters, it is converted into visible radiation, the intensity of which is proportional to the intensity of ultraviolet radiation, then it is fed to a filter installed in front of the photodetector and transmitting only visible radiation with wavelengths shorter than 0.6 μm, and register with a photodetector, while UV radiation is extracted using Yu absorption filters.

Сущность предлагаемого способа поясняется фиг. 1 и 2. The essence of the proposed method is illustrated in FIG. 1 and 2.

Способ включает выделение абсорбционным фильтром УФИ, преобразование всего выделенного УФИ диапазона спектра (0,25-0,4 мкм) в видимый диапазон спектра (0,5-0,55 мкм), выделение видимого диапазона спектра с длинами волн до 0,6 мкм фильтром и регистрацию видимого диапазона фотоприемником. The method includes the selection by UV absorption filter, the conversion of the entire selected UV range of the spectrum (0.25-0.4 μm) into the visible range of the spectrum (0.5-0.55 μm), the selection of the visible range of the spectrum with wavelengths up to 0.6 μm filter and registration of the visible range with a photodetector.

Из излучения, полученного от естественного или искусственного источника, с помощью абсорбционного фильтра 1 (см. фиг. 1) выделяется ультрафиолетовая часть спектра (см. фиг. 2). При этом пропускается не менее 10% ИКИ с длинами волн, большими 0,6 мкм, а излучение видимого диапазона (0,5-0,6 мкм) задерживается фильтром 1, т.е. его пропускание не более 0,0001 [2]
Затем с помощью оптического преобразователя частоты 2 УФИ (0,25-0,4 мкм) преобразуется в видимый диапазон (0,50-0,55 мкм). При этом ультрафиолетовое излучение поглощается преобразователем [2] (см. фиг. 2). Полученное излучение проходит через фильтр 3, пропускающий излучение с длинами волн не более 0,6 мкм. Спектр сформированного излучения показан на фиг. 2. После фильтра 3 излучение в диапазоне спектра 0,5-0,55 мкм, интенсивность которого пропорциональна интенсивности ультрафиолетового излучения в диапазоне спектра 0,2 0,4 мкм, поступает на фотоприемник 4, регистрирующий видимый диапазон спектра.From the radiation received from a natural or artificial source, the ultraviolet part of the spectrum (see Fig. 2) is extracted using an absorption filter 1 (see FIG. 1). At the same time, at least 10% of the IRI with wavelengths greater than 0.6 μm is passed, and the visible radiation (0.5-0.6 μm) is delayed by filter 1, i.e. its transmission is not more than 0.0001 [2]
Then, using an optical frequency converter, 2 UVI (0.25-0.4 μm) is converted into the visible range (0.50-0.55 μm). In this case, ultraviolet radiation is absorbed by the transducer [2] (see Fig. 2). The resulting radiation passes through a filter 3, transmitting radiation with wavelengths of not more than 0.6 μm. The spectrum of the generated radiation is shown in FIG. 2. After filter 3, radiation in the spectrum range 0.5-0.55 μm, the intensity of which is proportional to the intensity of ultraviolet radiation in the spectrum range 0.2 0.4 μm, is fed to a photodetector 4, which registers the visible range of the spectrum.

Интервал значений выбран, исходя из условия отсутствия за его пределами возможности получения указанного технического решения. The range of values is selected based on the condition that there is no possibility of obtaining the specified technical solution beyond its limits.

Преимущество предлагаемого способа заключается в том, что поскольку непосредственно фотоприемником измеряется интенсивность излучения видимого диапазона спектра, пропорциональная интенсивности УФИ, которое преобразуется в измеряемое фотодиодом видимое излучение, излучения с длинами волн, большими 0,6 мкм, за счет фильтра 3 не пропускаются и не регистрируются. В способе, принятом за прототип, одновременно с УФИ регистрируется излучение с длинами волн, большими 0,6 мкм, доля которого составляет не менее 10% от всего падающего излучения. The advantage of the proposed method is that since the radiation intensity of the visible spectrum is measured directly by the photodetector, which is proportional to the UV radiation intensity, which is converted into the visible radiation measured by the photodiode, radiation with wavelengths greater than 0.6 μm is not transmitted through the filter 3 and is not recorded . In the method adopted for the prototype, at the same time as UV radiation, radiation with wavelengths greater than 0.6 μm is recorded, the proportion of which is at least 10% of the total incident radiation.

В излучении естественных и искусственных источников света доля УФИ по сравнению с излучением ИК-области спектра мала. И именно комбинация: абсорбционный фильтр УФИ (1) + оптический преобразователь(2) + фильтр длинноволнового излучения (3) + фотоприемник (4) позволяет в предложенном способе повысить чувствительность измерений интенсивности УФИ, что особенно важно при измерении интенсивности УФИ, составляющего малую долю в сложном спектре излучения источников. При этом предлагаемый способ не требует применения громоздкой и сложной аппаратуры и позволяет регистрировать УФИ в широком диапазоне спектра 0,25-0,4 мкм. In the radiation of natural and artificial light sources, the fraction of UV radiation is small compared with the radiation in the infrared region of the spectrum. And it is the combination: UV absorption filter (1) + optical converter (2) + long-wave radiation filter (3) + photodetector (4) that makes it possible to increase the sensitivity of UV radiation intensity measurements in the proposed method, which is especially important when measuring UV radiation intensity, which is a small fraction of complex spectrum of radiation sources. Moreover, the proposed method does not require the use of bulky and complex equipment and allows you to register UVI in a wide range of the spectrum of 0.25-0.4 microns.

Возможность осуществления изобретения подтверждается следующими примерами. The possibility of carrying out the invention is confirmed by the following examples.

Проводилось измерение интенсивности излучения УФ-диапазона спектра от ртутной лампы ПРК-4 мощностью 400 Вт, лампы накаливания мощностью 100 Вт и солнечного излучения. Регистрация фототока, вызванного воздействием излучения на фотоприемник, в качестве которого использовался кремниевый фотодиод, осуществлялась с помощью стандартного цифрового вольтметра. The radiation intensity of the UV spectrum was measured from a PRK-4 mercury lamp with a power of 400 W, an incandescent lamp with a power of 100 W, and solar radiation. The photocurrent caused by the action of radiation on the photodetector, which was used as a silicon photodiode, was recorded using a standard digital voltmeter.

В первом примере источником излучения являлось излучение ртутной лампы установленной на расстоянии 1 м от приемника излучения. In the first example, the radiation source was the radiation of a mercury lamp installed at a distance of 1 m from the radiation receiver.

При использовании системы-прототипа: фильтр УФИ (стекло УФС-1) + преобразователь излучения (стекло ЖС-19) + фотоприемник, показания цифрового вольтметра составляли 100 мВ. При этом показания вольтметра менялись на 7% с временем. После того, как перед приемником излучения был добавочно установлен фильтр ЖЗС-19, пропускающий излучение только с длинами волн, большими 0,4 мкм, показания приемника составляли 80 мВ. т.е. приемник регистрировал излучение длинноволнового диапазона спектра, интенсивность которого превышала интенсивность измеряемого УФ-излучения, а его колебания со временем сравнимы с самим УФИ. When using the prototype system: a UVI filter (UFS-1 glass) + a radiation converter (ZhS-19 glass) + a photodetector, the readings of a digital voltmeter were 100 mV. In this case, the voltmeter readings changed by 7% with time. After an additional filter ZHZS-19 was installed in front of the radiation receiver, transmitting radiation only with wavelengths greater than 0.4 μm, the readings of the receiver were 80 mV. those. the receiver recorded the radiation of the long-wavelength range of the spectrum, the intensity of which exceeded the intensity of the measured UV radiation, and its fluctuations with time are comparable with the UVI itself.

При использовании предлагаемой системы: фильтр УФИ (стекло УФС-1) + преобразователь излучения (стекло ЖС-19) + фильтр длинноволнового излучения (стекло СЗС-22) + фотоприемник, показания фотоприемника составили 8 мВ. После того, как перед приемником УФИ был установлен добавочно фильтр ЖЗС-19, пропускающий излучение только с длинами волн,большими 0,4 мкм, показания с фотодиода составили 0,06 мВ. Т.е. в предлагаемом способе не регистрировалось излучение с длинами волн, большими 0,4 мкм, которое пропускает фильтр УФС-1. Уменьшение показаний приемника в области УФИ связано с тем, что часть видимого излучения, преобразованного из УФИ-поглощалась фильтром длинноволнового излучения СЗС-22. When using the proposed system: UVI filter (UFS-1 glass) + radiation converter (ZhS-19 glass) + long-wave radiation filter (SZS-22 glass) + photodetector, the photodetector readings were 8 mV. After an additional filter ZHZS-19 was installed in front of the UVI receiver, transmitting radiation only with wavelengths greater than 0.4 μm, the readings from the photodiode were 0.06 mV. Those. in the proposed method, radiation with wavelengths greater than 0.4 μm, which passes the UFS-1 filter, was not recorded. The decrease in the readings of the receiver in the UV-radiation region is due to the fact that part of the visible radiation converted from the UV-radiation was absorbed by the SZS-22 long-wave radiation filter.

Во втором примере источником излучения являлась лампа накаливания мощностью 100 Вт, установленная на расстоянии 1 м. Показания приемника УФИ, изготовленного по способу-прототипу, составили 45 мВ. После установки перед приемником дополнительно фильтра ЖС-19 показания приемника УФИ составили 35 мВ. Показания приемника, изготовленного по предлагаемому способу, составили 4 мВ. Они соответствовали излучению 0,37-0,40 мкм, которое присутствует в лампе накаливания. После установки перед приемником фильтра ЖЗС-19 его показания составили 0,01 мВ. In the second example, the source of radiation was an incandescent lamp with a power of 100 W, installed at a distance of 1 m. The readings of the UVI receiver manufactured by the prototype method amounted to 45 mV. After installing an additional ZhS-19 filter in front of the receiver, the UVI receiver readings were 35 mV. The readings of the receiver manufactured by the proposed method amounted to 4 mV. They corresponded to radiation of 0.37-0.40 microns, which is present in an incandescent lamp. After installing a ZhZS-19 filter in front of the receiver, its readings were 0.01 mV.

С помощью предложенного способа измерялась также интенсивность УФИ в солнечном свете. Показания вольтметра в зависимости от времени суток колебалось от 5 до 40 мВ. Показание интенсивности излучения, измеренного по способу прототипу, в подавляющем случае составлял 200 мВ, что соответствовало насыщению фотодиода за счет падающего ИК-излучения. Последний пример говорит о невозможности измерения УФ-диапазона спектра в прямом солнечном излучении по способу-прототипу. Using the proposed method was also measured the intensity of UVI in sunlight. The voltmeter readings, depending on the time of day, ranged from 5 to 40 mV. The indication of the radiation intensity measured by the prototype method, in the overwhelming case, was 200 mV, which corresponded to the saturation of the photodiode due to the incident infrared radiation. The last example indicates the impossibility of measuring the UV range of the spectrum in direct sunlight by the prototype method.

Результаты приведенных примеров показывают, что предложенный способ измерения интенсивности УФ-излучения в сложном спектре не менее, чем на порядок повышает чувствительность измерений по сравнению с известным способом, изложенным в прототипе. The results of the above examples show that the proposed method for measuring the intensity of UV radiation in a complex spectrum not less than an order of magnitude increases the sensitivity of the measurements compared with the known method described in the prototype.

Claims (1)

Способ определения интенсивности ультрафиолетового излучения, при осуществлении которого ультрафиолетовое излучение выделяют фильтрами из общего спектра, преобразуют его в видимое излучение, интенсивность которого пропорциональна интенсивности ультрафиолетового излучения, и регистрируют фотоприемником, отличающийся тем, что видимое излучение перед регистрацией подают на фильтр, установленный перед фотоприемником и пропускающий видимое излучение только с длинами волн менее 0,6 мкм. A method for determining the intensity of ultraviolet radiation, in which ultraviolet radiation is isolated by filters from the general spectrum, it is converted into visible radiation, the intensity of which is proportional to the intensity of ultraviolet radiation, and a photodetector is registered, characterized in that the visible radiation is fed to a filter installed in front of the photodetector and transmitting visible radiation only with wavelengths less than 0.6 microns.

Images