Разработка и исследование малогабаритного спектрофотометрического УФ радиометра для измерения спектрозональной облученности

Сегодня в промышленности широко используются различные источники ультрафиолетового (УФ) излучения. Применение УФ излучения очень разнообразно, а качество технологического процесса зачастую зависит от спектрозо-нальной облученности в узких спектральных интервалах. УФ излучение используется в медицине, косметологии, полиграфии, криминалистике, рекламе, системах обеззараживании воды и воздуха [1]. Вместе с тем УФ излучение может оказывать вредное влияние на человека и на окружающую среду. Существуют санитарные нормы, которые регламентируют безопасные значения УФ облученности для человека в спектральном диапазоне от 200 нм до 400 нм. Согласно [2], УФ излучение является важным фактором, ответственным за возникновение рака кожи. Для музеев и библиотек очень важно контролировать спектрозо-нальную облученность в УФ диапазоне спектра, так как УФ излучение оказывает разрушительное действие на многие музейные экспонаты и книги [3,4]. Международная Комиссия по Освещению (МКО) в 1963 г. предложила разделить УФ излучение на три зоны со следующими границами между ними: УФ-А — от 315 до 400 нмУФ-В — от 280 до 315 нмУФ-С — от 200 до 280 нм. В связи с этим возникает необходимость измерения спектрозональной УФ облученности в этих спектральных интервалах.

Условно все современные УФ радиометры можно разделить на два класса: спектрозональные и спектрофотометрические. Несмотря на широкий выбор УФ радиометров, как отечественного, так и иностранного производства, большинство из предлагаемых приборов имеют ряд существенных недостатков.

Существенным для спектрозональных УФ радиометров, на основе одного приемника оптического излучения, является большая погрешность измерений и нецелесообразность их использования для измерения излучения УФ источников с линейчатым спектром излучения, так как для них погрешность измерения облученности может достигать 100% и более [5]. К недостаткам спектрозональных приборов следует отнести технологическую сложность подбора оптических фильтров, с помощью которых корректируется спектральная чувствительность приемника оптического излучения радиометра, номенклатура которых ограничена количеством материалов, пропускающих УФ излучение. Выбор приемников для регистрации УФ излучения также ограничен [6] .Наличие трех фотометрических головок для измерения облученности в каждой из зон вызывает неудобство в использовании. Для точных измерений в лабораторных условиях используются спектрофотометрические приборы, которые позволяют измерять большинство контролируемых энергетических и эффективных величин с большой точностью, однако их применение в цеховых условиях не представляется целесообразным (высокая стоимость, условия эксплуатации).

Производители современных промышленных УФ радиометров используют различные методы, чтобы повысить точность их измерения. Однако для УФ, излучения со сложным спектральным составом (линейчатые, полосовые спектры) все более широкое применение получают излучающие диоды, в том числе и УФ диапазона [7]. При этом у них спектральная плотность потока излучения сильно зависит от внешних параметров (температура, влажность окружающей среды и т. д.). Появляются новые люминесцентные источники — эксилампы, у которых спектральные характеристики имеют сложный вид и могут изменяться в широких пределах [8]. Для подобных типов УФ источников известные методы измерения не позволяют получать требуемые метрологические характеристики.

Необходимо создавать измерительные средства, которые наряду с необходимой точностью позволят измерять не только УФ спектрозональную облученность, но и эффективную облученность (эритемную, бактерицидную и т. п.) как в трех регламентированных зонах, так и в любом желаемом спектральном интервале. При этом разрабатываемый УФ радиометр должен иметь: небольшие габариты, одну фотометрическую голову, возможность подключения к компьютеру, малую энергоемкость, автономность и относительно небольшую стоимость системы в целом.

Для выполнения указанных требований наиболее перспективным представляется разработка УФ радиометра на основе спектрофотометрического метода. Указанные обстоятельства определяют актуальность выбора в качестве объекта исследования спектрофотометрическую оптико-электронную систему для измерения спектрозональной или эффективной УФ облученности от различных источников излучения. В качестве предмета исследования рассмотрены особенности алгоритмов работы измерительной системы, соотношений между параметрами элементов структурной схемы и метрологическими характеристиками системы, методики калибровки и градуировки разрабатываемого УФ радиометра.

Целью работы является разработка и исследование малогабаритного переносного спектрофотометрического УФ радиометра для измерения спектрозо-нальной или эффективной УФ облученности от различных источников излучения.

Задачи исследования.

1. Критический анализ существующих методов и средств измерения спектрозональной или эффективной УФ облученности от различных источников излучения. Обзор и анализ приборов на основе рассмотренных методов.

2. Разработка технической и метрологической базы спектрофотометрического УФ радиометра для измерения спектрозональной или эффективной УФ облученности от различных источников излучения.

3. Исследование метрологических характеристик спектрофотометрического УФ радиометра с целью определения правильности выбранной концепции и улучшения характеристик, создаваемых радиометров.

4. Разработка программы обработки результатов измерения УФ излучения различных источников, в т. ч. и «линейчатых».

Методы исследования.

В основу разработанного УФ радиометра положены основные принципы теории спектральных и оптико-электронных приборов и систем, методы фотометрии, интегрального исчисления и математической статистики. Экспериментальные измерения для получения алгоритмов калибровки и настройки выполнены с помощью спектральной аппаратуры: МДР-4, МДР — 23. В качестве вторичного эталона УФ источника излучения используется лампа ДНК-90 в комплекте со средствами обеспечения и контроля рабочего режима, поверенная ВНИИОФИ, Москва. В качестве рабочего эталона средства измерения спектро-зональной облученности в спектральном диапазоне 200 — 400 [нм] используется радиометр МКР-УФ «Аргус» с СКО измерений 2,3%, выпускаемый ВНИИОФИ, Москва. Расчеты выполнялись с помощью программного пакета Ма&САО.

Основные результаты, выносимые на защиту.

1. Принцип построения радиометра для измерения спектрозональной или эффективной УФ облученности от различных источников излучения на основе спектрофотометрического метода.

2. Способ коррекции относительной спектральной чувствительности УФ радиометра с многоэлементным гибридным приёмником излучения спектрофото-метрическим методом.

3. Алгоритм и программа измерения спектрозональной или эффективной облученности УФ источников излучения, учитывающие влияние рассеянного света, с возможностью градуировки по любому эталонному источнику УФ излучения.

4. Методики калибровки, градуировки и исследования метрологических характеристик УФ радиометра в различных диапазонах.

5. Результаты анализа основных источников погрешности в разработанном УФ радиометре и пути ослабления их влияния.

Практические результаты работы.

1. Схема построения промышленного портативного УФ радиометра для измерения спектрозональной или эффективной УФ облученности от различных источников излучения на основе спектрофотометрического метода, обеспечивающего требуемую точность и спектральную чувствительность.

2. Создан и внедрен в производство новый тип малогабаритного переносного УФ радиометра серии «ТКА-УФ», у которого нет прямых аналогов, и который в настоящее время находит реализацию и в перспективе может стать широко используемым рабочим средством измерения.

3. Разработан и внедрен стенд для калибровки, градуировки и исследования метрологических характеристик УФ радиометра в различных спектральных и динамических диапазонах.

Личный вклад.

В результате исследования автором диссертации была разработана оптическая схема и конструкция спектрофотометрического УФ радиометра. Собран опытный образец, осуществлена юстировка и настройка разрабатываемого прибора. На основе проведенных экспериментов были разработаны методики калибровки и градуировки спектрофотометрического УФ радиометра. Выполнены исследования метрологических характеристик УФ радиометра и обработаны полученные результаты, сделаны выводы по работе.

Реализация результатов работы.

Реализация результатов работы подтверждена одним актом внедрения результатов моделирования, оптимизации и практических исследований по тематике диссертации на научно-производственном предприятии ООО «НТП «ТКА».

Санкт-Петербург), а также четырьмя актами использования результатов диссертации предприятиями и университетами.

Апробация работы.

Основные результаты работы и научные положения, выносимые на защиту, докладывались и обсуждались на различных Российских и международных конференциях: Y, VI, VII Всероссийские конференции молодых ученых (Санкт-Петербург, Россия, 2008, 2009, 2010 г.) — XVII конференция «Фотометрия и ее метрологическое обеспечение» (Москва, Россия, 2008 г.) — X Всероссийский научно-технический семинар «Проблемы метрологического обеспечения в здравоохранении и производстве медицинской техники» (Сочи, Россия, 2009 г.) — VI Международная научно-практическая конференция «Сохранность и доступность культурных и исторических памятников. Современные подходы» (Санкт-Петербург, Россия, 2009 г.) — 15 International workshop on inorganic and organic electroluminescence and 2010 International conference on the science and technology of emissive displays and lighting and 18 advanced display technologies international symposium (Санкт-Петербург, Россия, 2010 г.).

Публикации.

Основные результаты проведённых исследований опубликованы в 11 печатных работах, из них: 3 статьи опубликованы в журналах, входящих в «Перечень.» ВАК РФ, 3 статьи опубликованы в научных сборниках, 5 публикаций в материалах и тезисах конференций.

Первая глава посвящена критическому анализу существующих приборов и методов для измерения спектрозональной или эффективной УФ облученности от различных источников излучения. В настоящее время к вопросу промышленного измерения параметров УФ излучения подходят, основываясь на спектрозо-нальном методе измерения. Однако приборы, основанные на этом методе, не способны дать необходимую точность для современной промышленности. Для повышения точности измерения спектрозональной или эффективной облученности в любом произвольном спектральном УФ интервале необходим другой принцип построения измерительных средств.

Во второй главе разрабатываются теоретические основы и оптическая схема спектрофотометрического УФ радиометра для измерения спектрозональной или эффективной УФ облученности. На основе результатов анализа методов измерения спектрозональной или эффективной УФ облученности и конструкций существующих приборов, осуществлённого в первой главе, были составлены общие требования к точностным характеристикам разрабатываемого УФ радиометра, разработана оптическая схема, конструкция и принципы работы прибора.

В третьей главе приводятся результаты исследования физической модели УФ радиометра с целью разработки методик градуировки и калибровки, выявления и устранения основных систематических погрешностей, ухудшающих метрологические характеристики разрабатываемого прибора.

В четвертой главе приводятся методики градуировки и поверки разрабатываемого УФ радиометра, а также результаты метрологических исследований разработанного прибора.

В заключении делаются выводы о проделанной работе и определяются перспективы ее развития.

Работа выполнена на кафедре «Оптико-электронных приборов и систем» Санкт-Петербургского государственного университета информационных технологий, механики и оптики.

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, библиографического списка из 54 наименований, содержит 125 страниц основного текста, 42 рисунка и 6 таблиц.

Основные результаты исследований, изложенные в работе.

1. Проведен критический анализ современных методов и средств измерения спектрозональной или эффективной УФ облученности от различных источников излучения. Выявлены их достоинства и недостатки. Установлено, что спектрозональные УФ радиометры с фильтрами на одном приемнике нельзя использовать для измерения излучения УФ источников с линейчатым спектром излучения, так как для них погрешность измерения облученности может достигать 100% и более.

2. Изложены принципы построения радиометра для измерения спектрозональной или эффективной УФ облученности от различных источников излучения на основе спектрофотометрического метода, обеспечивающего требуемую точность и спектральную чувствительность.

3. Разработан способ коррекции относительной спектральной чувствительности УФ радиометра с многоэлементным гибридным приёмником излучения спектрофотометрическим методом.

4. Разработаны методики калибровки, градуировки и исследования метрологических характеристик УФ радиометра в различных диапазонах, на основе которых были созданы алгоритмы и программное обеспечение, позволяющее настраивать прибор и проводить измерения спектрозональной или эффективной облученности УФ излучения различных источников, в т. ч. и «линейчатых».

5. Исследования физической модели и стендовые испытания опытного образца спектрофотометрического УФ радиометра для измерения спектрозональной или эффективной облученности от различных типов источников излучения подтверждают правильность полученных теоретических результатов.

6. Создан и внедрен в производство новый, не имеющий аналогов тип малогабаритного переносного УФ радиометра серии «ТКА-УФ» для нужд промышленности, который в настоящее время находит реализацию и в перспективе может стать широко используемым рабочим средством измерения.

Заключение

.