ВЫСОКОЧУВСТВИТЕЛЬНЫЙ БАЛАНСОМЕР НА ОСНОВЕ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ БОЛОМЕТРОВ
|
ВВЕДЕНИЕ 5
1 АКТИНОМЕТРИЧЕСКИЕ НАБЛЮДЕНИЯ, ПРИБОРЫ, ИХ
ХАРАКТЕРИСТИКИ И ЭЛЕМЕНТНАЯ БАЗА 9
1.1 Актинометрические наблюдения, понятия 9
1.2 Актинометрические приборы, их характеристики 11
2 СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ЭЛЕМЕНТНОЙ БАЗЫ
АКТИНОМЕТРИЧЕСКИХ ПРИБОРОВ 15
2.1 Выбор новой элементной базы балансомера 15
2.2 Методика оценки эффективности металлических болометров 18
2.3 Пиранометр на основе металлического болометра 27
3 РАЗРАБОТКА ТЕХНИЧЕСКИХ РЕШЕНИЙ СОЗДАНИЯ
ВЫСОКОЧУВСТВИТЕЛЬНЫХ БАЛАНСОМЕТРОВ 32
3.1 Разработка методики увеличения чувствительности и расширения
динамического диапазона болометров 32
3.2 Оценка характеристик балансомера на основе металлических болометров 48
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 53
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ 54
ПРИЛОЖЕНИЕ А
1 АКТИНОМЕТРИЧЕСКИЕ НАБЛЮДЕНИЯ, ПРИБОРЫ, ИХ
ХАРАКТЕРИСТИКИ И ЭЛЕМЕНТНАЯ БАЗА 9
1.1 Актинометрические наблюдения, понятия 9
1.2 Актинометрические приборы, их характеристики 11
2 СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ЭЛЕМЕНТНОЙ БАЗЫ
АКТИНОМЕТРИЧЕСКИХ ПРИБОРОВ 15
2.1 Выбор новой элементной базы балансомера 15
2.2 Методика оценки эффективности металлических болометров 18
2.3 Пиранометр на основе металлического болометра 27
3 РАЗРАБОТКА ТЕХНИЧЕСКИХ РЕШЕНИЙ СОЗДАНИЯ
ВЫСОКОЧУВСТВИТЕЛЬНЫХ БАЛАНСОМЕТРОВ 32
3.1 Разработка методики увеличения чувствительности и расширения
динамического диапазона болометров 32
3.2 Оценка характеристик балансомера на основе металлических болометров 48
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 53
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ 54
ПРИЛОЖЕНИЕ А
Одним из главных факторов определяющих климат Земли являются атмосферные энергетические потоки, вызванные поступающей солнечной радиацией. В этой связи количественный контроль актинометрических величин, таких как прямая и суммарная солнечная радиация, рассеянная атмосферой и отраженная земной поверхностью радиация, тепловой баланс Земли остается важной и неотъемлемой частью метеорологических наблюдений. Основным актинометрическим оборудованием на сегодняшний день является актинометр и пиранометр, измеряющие энергетические потоки в спектральном диапазоне от 0,2 до 2,8 мкм, а также балансомер, контролирующий уходящее и приходящее излучение вплоть до 100 мкм. Приборы имеют различную конструкцию. Общим в них является то, что в качестве приемника излучения используется термоэлектрическая батарея, обладающая линейной спектральной чувствительностью в широком диапазоне длин волн. Для большинства задач характеристики данного вида приемника (соответственно приборов) в целом удовлетворяют требованиям метеорологических наблюдений. Вместе с тем, новые научные идеи в области изучения климата Земли предполагают создание нового поколения актинометрических приборов, обладающих на порядки более высокой чувствительностью и динамическим диапазоном измерения, в сравнении с современными аналогами, имеющих компактную и универсальную конструкцию, способных работать в автономном режиме на протяжении длительного времени, и при всем этом быть более экономически доступными для создания разветвленной сети станций наблюдения. Таким образом, разработка актинометрических приборов нового поколения является на сегодняшний день актуальной задачей.
В настоящее время разработка подобных актинометрических приборов ведется. Решение данной задачи главным образом основано на том, что вместо термоэлектрических батарей применяют полупроводниковые фотоприемники. Основным недостатком такого подхода является отсутствие возможности измерения интегральной плотности мощности в условиях потенциального перераспределения энергии спектральных компонентов атмосферного энергетического потока между собой при постоянной интегральной составляющей. Более того он исключает возможность количественного контроля длинноволновой составляющей ИК излучения и, следовательно, не способен полностью удовлетворит требования современных научных задач. Альтернативным подходом для проведения актинометрических измерений является использование иных тепловых приемников излучения, более чувствительных, чем термоэлектрические. Всесторонний анализ современных тепловых детекторов показал, что на роль приемников излучения высокочувствительных актинометрических приборов по совокупности параметров, могут претендовать металлические болометры, которые в отличие от полупроводниковых характеризуются высокой стабильностью параметров (линейностью), высокой лучевой стойкостью, низким уровнем шумов, простотой конструкции. При этом применение в качестве резистивных элементов мартенситных сплавов на основе никелида титана существенно увеличивает конкурентные преимущества таких приемников перед полупроводниковыми аналогами, тем самым повышая потенциал создания на их основе нового поколения актинометрических приборов [1].
Цели и задачи магистерской диссертации. Цель работы заключается в увеличении чувствительности и расширении динамического диапазона балансомеров.
Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:
1. Обзор современных актинометрических приборов, их характеристик и элементной базы.
2. Разработка новых технических решений, способствующих созданию высокочувствительного балансомера с широким динамическим диапазоном.
3. Оценка характеристик потенциального балансомера и их сравнение с аналогичными параметрами коммерческих приборов.
Положение, выносимое на защиту.
Режим динамической вольт-ваттной чувствительности Ti50.xNi49.x- болометра, основанный на автоподстройке предела обнаружения детектора от 0,9 до 27 мВт/м2 для каждого цикла измерения в зависимости от величины потока излучения и обеспечивающий суммарный динамический диапазон измерений 3-106.
Научная новизна работы заключается в следующем:
1. Предложен способ увеличения чувствительности балансомеров путем использования в качестве приемников излучения болометров на основе тонкопленочных резистивных элементов из титана, циркония и сплава никелида титана.
2. Предложен режим динамической вольт-ваттной чувствительности болометра, обеспечивающий расширение диапазона измерения потока излучения (Патент РФ № 2677831).
Практическая значимость работы состоит в следующем:
1. Показана возможность создания Ti50.xNi49.x- болометра с минимальной пороговой чувствительностью 0,2 нВт/Гц1/2 на частоте 10 Гц, который может быть использован в качестве широкополосного приемника излучения в составе оптико-электронных приборов различного назначения.
2. Показана возможность создания балансомера на основе Tiso.xNi49.x - болометра с пороговой чувствительностью 1 мВт/м2, динамическим диапазоном 3-106 и площадью приемной площадки 2 мм2.
Методы исследования. Для решения поставленных задач использовались теоретические, экспериментальные и сравнительные методы исследования, применялась статистическая обработка прямых и косвенных измерений.
Достоверность результатов работы обеспечивается использованием апробированных исследовательских процедур, хорошим согласованием модельных оценок эффективности режима динамической чувствительности болометров с результатами эксперимента.
Апробация результатов исследования. Основные результаты работы были описаны в статье, опубликованной в рецензируемом иностранном журнале, и изложены в описании патента РФ на изобретение.
В настоящее время разработка подобных актинометрических приборов ведется. Решение данной задачи главным образом основано на том, что вместо термоэлектрических батарей применяют полупроводниковые фотоприемники. Основным недостатком такого подхода является отсутствие возможности измерения интегральной плотности мощности в условиях потенциального перераспределения энергии спектральных компонентов атмосферного энергетического потока между собой при постоянной интегральной составляющей. Более того он исключает возможность количественного контроля длинноволновой составляющей ИК излучения и, следовательно, не способен полностью удовлетворит требования современных научных задач. Альтернативным подходом для проведения актинометрических измерений является использование иных тепловых приемников излучения, более чувствительных, чем термоэлектрические. Всесторонний анализ современных тепловых детекторов показал, что на роль приемников излучения высокочувствительных актинометрических приборов по совокупности параметров, могут претендовать металлические болометры, которые в отличие от полупроводниковых характеризуются высокой стабильностью параметров (линейностью), высокой лучевой стойкостью, низким уровнем шумов, простотой конструкции. При этом применение в качестве резистивных элементов мартенситных сплавов на основе никелида титана существенно увеличивает конкурентные преимущества таких приемников перед полупроводниковыми аналогами, тем самым повышая потенциал создания на их основе нового поколения актинометрических приборов [1].
Цели и задачи магистерской диссертации. Цель работы заключается в увеличении чувствительности и расширении динамического диапазона балансомеров.
Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:
1. Обзор современных актинометрических приборов, их характеристик и элементной базы.
2. Разработка новых технических решений, способствующих созданию высокочувствительного балансомера с широким динамическим диапазоном.
3. Оценка характеристик потенциального балансомера и их сравнение с аналогичными параметрами коммерческих приборов.
Положение, выносимое на защиту.
Режим динамической вольт-ваттной чувствительности Ti50.xNi49.x- болометра, основанный на автоподстройке предела обнаружения детектора от 0,9 до 27 мВт/м2 для каждого цикла измерения в зависимости от величины потока излучения и обеспечивающий суммарный динамический диапазон измерений 3-106.
Научная новизна работы заключается в следующем:
1. Предложен способ увеличения чувствительности балансомеров путем использования в качестве приемников излучения болометров на основе тонкопленочных резистивных элементов из титана, циркония и сплава никелида титана.
2. Предложен режим динамической вольт-ваттной чувствительности болометра, обеспечивающий расширение диапазона измерения потока излучения (Патент РФ № 2677831).
Практическая значимость работы состоит в следующем:
1. Показана возможность создания Ti50.xNi49.x- болометра с минимальной пороговой чувствительностью 0,2 нВт/Гц1/2 на частоте 10 Гц, который может быть использован в качестве широкополосного приемника излучения в составе оптико-электронных приборов различного назначения.
2. Показана возможность создания балансомера на основе Tiso.xNi49.x - болометра с пороговой чувствительностью 1 мВт/м2, динамическим диапазоном 3-106 и площадью приемной площадки 2 мм2.
Методы исследования. Для решения поставленных задач использовались теоретические, экспериментальные и сравнительные методы исследования, применялась статистическая обработка прямых и косвенных измерений.
Достоверность результатов работы обеспечивается использованием апробированных исследовательских процедур, хорошим согласованием модельных оценок эффективности режима динамической чувствительности болометров с результатами эксперимента.
Апробация результатов исследования. Основные результаты работы были описаны в статье, опубликованной в рецензируемом иностранном журнале, и изложены в описании патента РФ на изобретение.
В ходе выполнения работы было разработано новое техническое решение увеличения чувствительности балансомеров путем применения в качестве приемников излучения болометров на основе тонкопленочных резистивных элементов из металлов и сплавов, обладающих наилучшей совокупностью электрофизических свойств. Предложен и экспериментально проверен режим динамической вольт-ваттной чувствительности болометров, обеспечивающий расширение диапазона измерения потока излучения. Проведена оценка характеристик потенциального балансомера на основе металлических болометров и его сравнительный анализ с аналогичными коммерческими приборами.
В результате проведенных исследований получены новые сведения способные стать научно-технической основой создания высокочувствительных балансомеров нового поколения с широким динамическим диапазоном измерений для детального изучения влияния флуктуаций теплового баланса Земли на климатические изменения в круглосуточном режиме.
В результате проведенных исследований получены новые сведения способные стать научно-технической основой создания высокочувствительных балансомеров нового поколения с широким динамическим диапазоном измерений для детального изучения влияния флуктуаций теплового баланса Земли на климатические изменения в круглосуточном режиме.