Разработка фотоэлектронного счетчика

Задачей разработки устройства для последовательной регистрации индикатрисы рассеяния, за время нахождения единственной дисперсной частицы в счетном объеме, с возможно большим угловым разрешением является повышение информативности одновременно получаемых от каждой отдельно взятой частицы экспериментальных данных.

Разработан фотоэлектронный счетчик частиц (ФЭС), для регистрации полной индикатрисы рассеяния за время нахождения дисперсной частицы в счетном объеме. ФЭС содержит источник зондирующего излучения, объемную систему сбора рассеянного из счетного объема излучения, фотоприемник, светоловушку и блок электронный регистрации [1]. Объемная система сбора рассеянного из счетного объема излучения выполнена в виде установленных соосно кольца из оптически прозрачного материала (полиметилметаакрилат) и кронштейна. Кольцо из полиметилметаакрилата имеет радиальное сечение в форме тонкой линзы и два отверстия, расположенных на его диаметрально противоположных сторонах по направлению зондирующего излучения. Геометрическая ось вращения кольца совпадает с входной плоскостью тонкой линзы, в каждом сечении. фотоэлектронный счетчик дисперсный индикатриса На кронштейне по винтовой линии радиально установлены равномерно распределенные по углам световоды, ориентированные по оптической оси тонкой линзы в каждом сечении. Входные торцы световодов установлены в плоскости изображений тонкой линзы, а выходные торцы объединены в один пучок на входе в ФЭУ-114.

Потоки рассеянных на различные углы зондирующего излучения, с помощью одного из участков кольца из полиметилметаакрилата, имеющего радиальное сечение в форме тонкой линзы, проецируются последовательно на входной торец одного из световодов. Это позволяет регистрировать полную индикатрису рассеяния, с необходимым угловым разрешением, в диапазоне углов не менее 2^о178^о, 182^о358^о одним ФЭУ как последовательность во времени электрических импульсов, формируемых при пролете индивидуальной частицы вдоль оптической оси оптической системы сбора потоков рассеянного излучения.

Счетный объем 2 ФЭС расположен в геометрическом центре объемной системы выделения рассеянного излучения, сформированного в виде кольца 4 из оптически прозрачного материала и кронштейна 5 со сборкой световодов 6, расположенных по винтовой линии. Счетный объем имеет форму, близкую к цилиндрической, ось симметрии которого совмещена с геометрической осью кольца из оптически прозрачного материала. Высота счетного объема ограничена длиной отрезка геометрической оси кронштейна, в пределах которого установлены входные торцы световодов, с учетом коэффициента увеличения изображения счетного объема.

В зависимости от углового положения на кронштейне 5 входные торцы световодов 6 установлены под разными углами к геометрической оси объемной системы выделения рассеянного излучения. Оптические оси световодов совмещены с оптическими осями тонкой линзы, проходящими через положение дисперсной частицы 10, находящейся на геометрическом центре системы выделения рассеянного излучения. Выходные концы световодов 6 собраны в один жгут и установлены вплотную к ФЭУ 7.

Дисперсная частица 10, пролетая по счетному объему 2, непрерывно рассеивает зондирующее излучение, из которого кольцо 4 из полиметилметаакрилат выделяет «экваториальную» часть и проецирует её в виде светящейся окружности, с переменной интенсивностью, соответствующей полной индикатрисе рассеяния, на внешнем кронштейне 5 со сборкой световодов 6. Светящаяся окружность перемещается синхронно с дисперсной частицей.

На ФЭУ 7 поочередно попадают потоки излучения, рассеянные на различные углы, по отношению к направлению зондирующего излучения. Часть зондирующего излучения, прошедшая счетный объем не рассеиваясь, поглощается светоловушкой 3, что предотвращает вероятность попадания прошедшего излучения в фотоприемник, путем нескольких переотражений от стенок помещения и элементов конструкции экспериментального стенда.

Расчет геометрических параметров ФЭС. При конструктивной проработке ФЭС важно оценить предельно достижимые параметры (минимально возможный для регистрации индикатрисы рассеяния размер дисперсной частицы) при использовании доступных комплектующих: лазеров, ФЭУ, световодов. Для этого необходимо оценить минимально необходимую мощность зондирующего излучения по величине предельно обнаружимого значения рассеянного потока в направлении заданного угла.

Известно, что при рассеянии оптического излучения на частицах, сравнимых с длиной волны, минимальное рассеяние наблюдается под углами 90 130^о, интенсивность которого может быть меньше интенсивности потоков в направлениях вперед и назад более чем в 10 раз.

Задавали следующие исходные геометрические размеры и параметры:

радиус кронштейна, на котором установлены световоды — 100 мм;

радиус цилиндрической линзы — 50 мм;

показатель преломления материала цилиндрической линзы (оптическое стекло) — 1,63;

длина волны зондирующего излучения — 514 нм;

квантовая эффективность фотоприемника — 0,3;

диаметр сердцевины световодов — 150 мкм;

угол между световодами — 0,5;

высота счетного объема — 10 мм;

скорость газового потока в счетном объеме — 10 м/с.

При изготовлении ФЭС проводили следующие оценочные расчеты энергетических характеристик.

• 1. Цилиндрическая линза переносит изображение счетного объема без масштабирования на входные торцы световодов. Поэтому видимая через световод часть счетного объема имеет масштаб сердцевины световода (около 150 мкм). Отсюда величина счетного объема равна 100,15²0,25 = 0,18 мм³. Можно использовать ФЭС, если в счетном объеме находится не более одной дисперсной частицы. Следовательно, предельная концентрация частиц не превышает 5000 см^-3.
• 2. Радиусы кривизны преломляющих поверхностей цилиндрической линзы с фокусным расстоянием 25 мм, могут быть определены из формулы

.

При значениях, а = 50 мм и b = 50 мм радиусы кривизны преломляющих поверхностей линзы равны R₁ = R₂ = 15 мм.

• 3. Задавали высоту цилиндрической линзы 16 мм и его толщину — 4 мм.
• 4. Определяли телесный угол, с которого линза на каждый световод собирает рассеянное излучение. Площадь сферы радиусом, равным радиусу дуги цилиндрической линзы (50 мм) равна 314 см². Площадь проекции линзы, с которого световой поток проецируется входной торец световода 153,1450/360=6,5 мм². Это составляет телесный угол 6,5/3 140 043,14 = 0,0026 ср. Следовательно, на каждый световод, расположенный в направлении вбок, проецируется (6,5/31 400):10 = 2,110^-5 части зондирующего излучения. С учетом френелевских отражений и ослабления в световоде на ФЭУ доходит поток оптического излучения, равный 0,96⁴0,52,110^-5 = 0,8810^-5 части зондирующего излучения. Т. е. «ослабление» в каждом световоде, ориентированном вбок, составляет 1,110⁵ раз.
• 5. Для возникновения одного импульса напряжения ФЭУ, работающего в режиме счета фотонов, за время нахождения дисперсной частицы (радиусом 1 мкм) в поле зрения одного световода (30 мкс), необходимо, чтобы на его поперечное сечение падало 1,11 053 = 3,310⁵ квантов, мощность которых 3,31 056,6410-³⁴(310⁸/51 410^-9)/310^-5 = 510^-8 Вт или 510^-8/(3,1410^-8) = 0,5 Вт/см². В реальных условиях экспериментальная установка находится не в темноте, а испытывает мощную засветку от посторонних источников излучения. Для получения приемлемого значения соотношения сигнал — шум, необходимо использовать зондирующее излучение большей интенсивности.

Из аналогичных расчетов для частицы радиусом 5 мкм — требуемая минимальная интенсивность для засветки ФЭУ единичными рассеянными квантами составляет 0,02 Вт/см² (интенсивность выходного пучка лазера ЛГН-118 мощностью 10 мВт и диаметром 3 мм составляет 0,12 Вт/см²).

Лабораторный макет ФЭС дисперсных частиц содержал установленные соосно кольцо диаметром 100 мм из оргстекла, кронштейн диаметром 230 мм и высотой 15 мм. Радиальное сечение кольца имеет форму тонкой линзы с радиусами кривизны преломляющих поверхностей 15 мм. В качестве источника зондирующего излучения был использован аргоновый лазер ЛГН-506, в качестве фотоприемника — ФЭУ-114. Длина одиночных многомодовых световодов составляла 0,5 м.

Динамический диапазон ФЭУ не позволяет регистрировать все сигналы при одинаковой чувствительности. Поэтому на световоды, установленные в направлениях высокой интенсивности рассеянного излучения, применяли нейтральные ослабители. Измерения, проводимые с целью калибровки ФЭС показали, что с использованием регуляризующих алгоритмов из таких индикатрис удается с большой точностью оценить размеры аэрозольных частиц.