автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.15, диссертация на тему:Высокоточные калориметрические измерительные преобразователи и системы в энергетической лазерометрии

СИСМ-П к поверяемому РЭ основан на известном методе прямого сличения СИ [228 - 230].

Результаты исследований ГПЭ представлены в табл. 24 и 25, а также в работах [217,218,221]. При этом для оценки систематических погрешностей ГПЭ были использованы зависимости Ff его характеристик от соответствующих факторов и проведены исследования изменений последних за период воспроизведения размера единицы. Они показали в частности, что реальные пределы изменений средней мощности, температуры и вакуума обычно не превышали 5-10"5 Вт, 5-10"2 °С и 1-10" мм рт. столба. Результаты исследований показали также, что погрешность воспроизведения на ГПЭ единицы средней мощности лазерного излучения в верхней части диапазона составляет 0,03 % и увеличивается до 0,1% при минимальной мощности.

4.5. Государственный специальный эталон единицы энергии импульсного лазерного излучения.

Для воспроизведения и передачи размера единицы энергии лазерного излучения при длине волны 10,6 мкм был разработан под руководством к.ф.-м.н. Н.Ш.Хайкина с участием диссертанта и вед. инженера Ю.С.Васильева Государственный специальный эталон этой единицы [218, 219, 221]. В основу работы эталона было положено формирование импульса известной длительности т из непрерывного потока излучения известной мощности Р0 с определением энергии импульса £)0> исходя из известной зависимости:

Оо = Ро т. (49)

При этом для источника излучения был использован СОг-лазер с оптической системой, фокусирующей его излучение, а для измерений средней мощности последнего применена рассмотренная ранее разработанная в диссертации высокоточная калориметрическая система СИСМ-С, отличавшаяся от использованной в ГПЭ единицы средней мощности лишь расположением полностью унифицированных приемных элементов. Поэтому и связанная с измерением сред

211

Таблица 24. Характеристики ГПЭ единицы средней мощности лазерного излучения

Характеристика Значение

1 2 = 3

1 Рабочая длина волны излучения, мкм 0,87

2 Диапазон средней мощности, Вт 8x10"2- 8x10"'

3 Коэффициент преобразования мощности электрического тока, 8э, не менее, мВ/Вт 2

4 Зависимость 8эот следующих факторов: - уровень мощности Р5э(рэ), % / Вт - ее пространственное распределение РвЭ(ху)> % - температура окружающей среды РзЭ(Т), % / °С - остаточное давление Р§Э(В), % / мм. рт. ст. 1,9 2,9x10"3 1,1 хЮ"1 29,0

5 Коэффициент эквивалентности тепловых потерь, Кэ 0,99674

6 Зависимость Кэ от следующих факторов: - уровень мощности РкЭ(Р), % / Вт - ее пространственное распределение РКэ(ху), % - температура окружающей среды РКэ(т)5 %/°С - остаточное давление РКэ(вь % / мм. рт. ст. 3x10"6 5x10"3 ю-9 8x10"7

7 Коэффициент поглощения Кп 0,99997

8 Зависимость Кпот следующих факторов: - урОВеНЬ ПЛОТНОСТИ МОЩНОСТИ Ркп(Р/8), % / Вт - ее пространственное распределение РкП(ХУ), % - температура окружающей среды РКп(Т), % /°С - остаточное давление РкП(в> %! мм. рт. ст. - поляризация излучения РКп(въ % 9x10"6 1,3x10"3 3x10"3 1,5x10"4 10"4

9 Поправочный множитель на спад сигнала под нагрузкой К 1,000065

10 Зависимость К от величины скачка мощности Ркгдръ % / % 1,5x10"3

11 Л Допустимая плотность мощности, Вт / см 30

12 Постоянная времени, с. 50

13 Дрейф нулевого уровня за 15 мин., мкВ 1,5x10"2

14 Полное электрическое сопротивление калибровочного нагревателя, Ом 7,42

15 Электрическ. сопротивление термобатареи, Ом 427

16 СКО измерения средн. мощности излуч., стРо, % 7,8x10"3

17 НСП измерения средн. мощности излуч., 6 Ро, % 1,2x10'3

18 Погрешность СИСМ, А, % 3x10"2

212

Таблица 25. Погрешности ГПЭ единицы средней мощности лазерного излучения

Составляющая погрешности, % Значение

1 2 3

1 СКО измерения выходного сигнала системы, aVo 5-10"3

2 СКО измерения напряжения калибровки, аи 5-10'4

3 СКО измерения .напряжения в цепи тока калибр., Стит 5-Ю"4

4 СКО, нестабильность источника тока, Ст[э 1,7-10"3

5 СКО, нестабильность лазерного источника, стРо 10"3

6 СКО, дрейф нуля при электр. воздействии, (Тдр.э 5-10"4

7 СКО, дрейф нуля при оптическом воздействии, аД0.0 5-Ю"4

8 СКО измерения коэффициента поглощения Кп, аКп 2,5-10"3

9 СКО измерения коэффициента эквивалентности Кэ, стКэ 7-10"5

10 СКО измерения поправочного коэффициента на ход системы под нагрузкой К, стк 2,8-10"3

11 СКО измерения коэффициента преобразования Sa, Os3

12 НСП измерения напряжения калибровки, 9и 10"3

13 НСП нормального элемента в цепи измерения напряжения, 9Нэш) 2-10"3

14 НСП измерение напряжения в цепи тока калибровки, 9и(П 10"3

15 НСП нормального элемента в цепи тока калибркалибровки, 9нэт 2-10"3

16 НСП образцового сопротивления в цепи тока 210"3

17 НСП измерения коэффициента поглощения Кп, 9Кп 3-10"4

18 НСП, зависимость Кп от температуры, 9Кпт з-ю-4

19 НСП, зависимость Кп от плотности мощности, 9Kn(P/s) 9-Ю-6

20 НСП, зависимость Кп от пространственного распределения МОЩНОСТИ, бкп(ХУ) 1,3-10"3

21 НСП, зависимость Кп от поляризации, 9кП(ху> 10"4

22 НСП, зависимость Кэ от уровня вакуума, 9кэ<в) 1,6-Ю"10

23 НСП, зависимость Кэ от температуры, бкэгп ю-9

24 НСП, зависимость Кэ от пространственного распределения МОЩНОСТИ, 9кэ (XY) 5-10"3

25 НСП, зависимость Кп от уровня мощности, 9Кэ(Р) 1,5-10'6

26 НСП, зависимость коэффициента преобразования Бэ от про -странственного распределения мощности, 9S3(xy) 9,2-10"3

27 НСП, зависимость $э от температуры, 9s3m 5,7-10"3

28 НСП, зависимость 8э от уровня мощности, 9S3(P) 1,9-10"4

29 НСП, зависимость Ээ от уровня вакуума, 9S3<b) 5,8-10"5

30 НСП, зависимость К от величины скачка мощности. 6К(др) 1,5-10*3

213 ней мощности часть структурной схемы ГСЭ единицы энергии практически полностью воспроизводила структурную схему ГПЭ, представленную на рис. 46 и разработанную автором настоящей диссертации с приведенными ранее оговорками. Таким образом, рассмотренные в предыдущем разделе результаты исследований ГПЭ в равной степени отражают характеристики калориметрической системы, использованной в ГСЭ единицы энергии лазерного излучения для высокоточных измерений его средней мощности. Эти характеристики во многом способствовали достижению высокой точности созданного ГСЭ.

4.6. Поверочные схемы для средств измерений энергии и средней мощности лазерного излучения

4.6.1. Поверочная схема для средств измерений энергии импульсного лазерного излучения при длине волны 10,6 мкм

Для оперативного устранения ряда рассмотренных ранее недостатков Общесоюзной поверочной схемы ГОСТ 8.058-73 [231, 232] в дополнение к ней в рамках настоящей работы была разработана представленная на рис. 48 поверочная схема, которая регламентировала методы и средства воспроизведения и передачи размера единицы энергии импульсного лазерного излучения на длине волны 10,6 мкм. Ее высшую ступень заняла рассмотренная ранее УВТ.Э, обеспечившая воспроизведение и передачу размера этой единицы в диапазоне (130) Дж с погрешностью, характеризуемой НСП и СКО на уровне 2% и 0,5%, соответственно. Для передачи методом сличений единицы энергии излучения от УВТ.Э к РСИ в рассматриваемой поверочной схеме использовалась промежуточная ступень ОСИ, работающих в диапазоне (1-30) Дж с погрешностью (4-6)%. При этом создание в процессе настоящей работы высокоточных широко-апертурных ИП энергии открывало широкие возможности для качественного аппаратурного оснащения этой ступени поверочной схемы. Для проведения сличений поверяемых РСИ с образцовыми приборами использовались повероч

Рис.48. Поверочная схема для средств измерения энергии однократных импульсов излучения ОКГ на длине волны 10,6 мкм.

215 ные установки, отличавшиеся, например, от УВТ.Э тем, что в качестве ОСИ в них вместо ОСИ-2К использовались приборы ТПИ-2-5(0), погрешность которых при поверке их на стенде УВТ.Э не превышала 4% и таким образом полностью отвечала требованиям поверочной схемы

Реализация этой поверочной схемы позволила в частности обеспечить надлежащей поверкой на длине волны 10,6 мкм созданные в процессе настоящей работы высокоточные преобразователи энергии лазерного излучения ТПИ-2А, ТПИ-1-5, ТПИ-2-5, ТПИ-2-7, ТПИ-2-М, ИПЭ-1, ИПЭ-2, ИПЭ-2К, калориметры отраженной энергии ТПОИ-1, ТПОИ-4, ТПОИ-5, ТПОИ-6, многоэлементные преобразователи энергии ТПИ-9С и ТПИ-12Р, а также созданные на их базе приборы ИЭИ-1к-1м и ИРЭ-100. Погрешность поверяемых РСИ в период действия этой поверочной схемы была снижена с 15 % до (4-10)%. При этом была достигнута унификация исходных, образцовых и рабочих СИ и, как следствие, соответствующие положительные метрологические и экономические эффекты.

4.6.2. Государственная поверочная схема для средств измерений средней мощности лазерного излучения в диапазоне длин волн (0,3 - 12,0) мкм

В процессе дальнейшего совершенствования системы ОЕИ была разработана поверочная схема ГОСТ 8.275-78, представленная на рис. 49 [221, 222]. Ее возглавил созданный Государственный первичный эталон (ГПЭ.СМ), выраженная в виде НСП и СКО погрешность которого составляет 0,04% и 0,03 %, соответственно. Специфической особенностью этой поверочной схемы, помимо высокой точности используемой во всех ее разрядах измерительной аппаратуры, являлось то, что при передаче размера единицы средней мощности лазерного излучения от ГПЭ к РЭ и ОСИ, кроме расширения динамического и спектрального диапазонов излучения, производилось и постепенное коллимирование пучка последнего. Так, если на стенде ГПЭ.СМ выходящее из его световода излучение распространялось в телесном угле 180°, то на установке РЭ, где использовался фокусируемый линзой поток излучения, этот угол не превышал 30°, а на

217 использующих ОСИ поверочных установках уже имело место коллимирован-ное лазерное излучение.

Для аппаратурного оснащения поверочной схемы в разряде ОСИ нашли свое применение помимо стандартных приборов также и созданные в процессе настоящей работы приборы ТПИ-5(0). Позднее для поверки высокоэнергетической измерительной техники в процессе настоящей работы были дополнительно созданы стойкие к излучению высокоточные широкоапертурные образцовые средства измерений средней мощности ОСИСМ-1-70, Градиент-ЗО(О), Гради-ент-50(0), Градиент-70(0), погрешность которых при получении размера единицы на стенде РЭ составляет (1,2 - 2,5) %, что отвечает самым высоким метрологическим требованиям поверочной схемы.

Реализация этой поверочной схемы позволила обеспечить надлежащей поверкой в том числе и созданные в процессе настоящей работы образцовые и высокоточные рабочие СИ средней мощности лазерного излучения ОСИЭСМ-1-70, ОСИЭСМ-1-150, ТПИ-20, ИПСМ-1-70, Градиент-30, Градиент-ЗОБ, Гра-диент-50, Градиент-50Б, Градиент-70, Градиент-70Б, Градиент-80, ИПСМ-1-120, ТПОИ-2, ТПОИ-5, ИНМ-2, МП.50Т и гарантировать таким образом их погрешность на уровне (2,5- 6)% и при этом во многих случаях добиться положительного метрологического и экономического эффектов за счет унификации образцовой и рабочей измерительной аппаратуры.

4.6.3. Государственная поверочная схема для средств измерений энергии лазерного излучения в диапазоне длин волн (0,3 - 12,0) мкм.

Разработка высокоточной эталонной калориметрической системы для воспроизведения размера единицы средней мощности излучения способствовала достижению высокой точности базировавшегося на ней ГСЭ единицы энергии лазерного излучения при длине 10,6 мкм, работавшего в диапазоне энергии (0,5-1,5) Дж при длительности импульсов (0,5-1,5) с, выраженная в виде НСП и

218

СКО погрешность которого не превышала 0,1% и 0,2%, соответственно. Это позволило реализовать возглавляемую этим эталоном Государственную поверочную схему ГОСТ 8.276-78, представленную на рис. 50 [221, 233].

При решении задач аппаратурного оснащения различных ступеней этой поверочной схемы была в частности проведена работа по аттестации в качестве РЭ единицы энергии лазерного излучения при длине волны 10,6 мкм созданной ранее УВТ.Э, потерявшей статус высшего звена после введения в строй нового ГСЭ.Э. Созданный таким образом РЭ работал в диапазоне энергии (1-2) Дж, а его выраженная в виде СКО погрешность составила 0,45%, что отвечало требованиям новой поверочной схемы.

Ниша ОСИ в этой поверочной схеме была заполнена как узкоапертурной стандартной образцовой аппаратурой, так и созданными в процессе настоящей работы широкоапертурными образцовыми приборами ТПИ-2-5(0), выполнявшими ранее те же функции в возглавлявшейся УВТ.Э поверочной схеме. Кроме того, для повышения качества поверки высокоэнергетических РСИ при проведении настоящей работы была поставлена задача создания параметрического ряда высокоточных образцовых приборов, работающих с излучением высокоэнергетических технологических лазеров. В результате были созданы ОСИЭ.2М, ОСИЭ-1-70, ОСИЭ-1-70Д, ОСИЭСМ-1-70, ОСИЭСМ-1-70Д, ОСИЭ-1-150, ОСИЭ-1-150Д, ОСИЭСМ-1-150, ОСИЭСМ-1-150Д, ОСИЭ и ОСИЭ.20.500, погрешность которых составляла (2 - 4)%, что отвечало требованиям поверочной схемы и значительно расширило диапазон поверочных работ. Это позволило обеспечить надлежащей поверкой в том числе и созданные в процессе настоящей работы высокоточные ИП энергии излучения ТПИ-1-5, ТПИ-2А, ТПИ-2-5, ТПИ-2-7, ТПИ-2М, ИПЭ-1, ИПЭ-2, ИПЭ-1-60М, ИПЭ-1-70, ИПЭ-1-70Д, ИПЭ-1-120М, ИПЭ-1-120МД, ИПЭ-1-150, ИПЭ-1-150Д, ТПОИ-1, ТПОИ-4, ТПОИ-5, ТПОИ-6, многоэлементные калориметры ТПИ-9С, ТПИ-12Р, ИПЭ.30М4, ИПЭ.20МЗ и созданную на их базе измерительную технику, погрешность которых была снижена до значений (2 - 5)%. При этом была достиг

Рис,50. Общесоюзная поверочная схема для средств измерений энергии лазерного излучения в диапазоне длин волн 0,3 - 12,0 мкм. ГОСТ. 8.276-78.

220 нута унификация образцовых и рабочих СИ и связанные с этим положительные эффекты.

4.7. Рабочий эталон единицы энергии и образцовые средства измерений энергетических параметров лазерного излучения

4.7.1. Рабочий эталон единицы энергии лазерного излучения при длине волны 10,6 мкм

Для передачи размера единицы энергии лазерного излучения при длине волны 10,6 мкм от Государственного эталона образцовым и высокоточным рабочим СИ создан РЭ.Э этой единицы [188]. В его основу положено рассмотренное ранее техническое решение УВТ.Э. Как показали результаты исследования аппаратуры УВТ.Э, при передаче ей от ГСЭ.Э размера единицы энергии при длине волны излучения 10,6 мкм ее погрешность в виде СКО составила 0,45%, т.е. отвечает требованиям по точности, предъявляемым к РЭ.Э новой поверочной схемой. Отличие РЭ.Э от УВТ.Э заключается в том, что в нем из измерительного процесса выключен преобразователь ТПОИ из состава ИПЭ-2К. Такая возможность возникла в связи с тем, что размер единицы энергии излучения передается к РЭ.Э от ГСЭ.Э путем прямых измерений и в этом случае большое значение имеет стабильность коэффициента поглощения калориметра, а не его абсолютное значение. С учетом высокой стабильности оптических характеристик рекристаллизованных графитов такую схему измерений можно считать оправданной. Что касается канала ТПОИ, то он используется в РЭ лишь для периодического контроля стабильности оптических характеристик основного канала ОСИ-2К, что способствует повышению надежности эталона. При этом слабая зависимость этих характеристик от угла падения и достаточно большая апертура, надежно перехватывающая все выходящее из ГСЭ.Э излучение, также способствовали достижению высокой точности РЭ.Э.

В процессе работы РЭ.Э проводится электрическая калибровка основного канала преобразователя ИПЭ-2К, после чего, с помощью непрерывного лазера

221 и механического затвора формируется импульс энергии излучения, значение которой Qw,6 определяется по формуле:

Qio,6= (Vko - VHO) С U2 /2 (VK3 - VH3) К, (50) где: УНэ, VHO, Укэ, VKO ~ начальные и конечные значения выходного сигнала основного канала преобразователя ИПЭ-2К при электрическом и оптическом воздействии, соответственно; К, С - паспортные значения калибровочного коэффициента и емкости конденсаторного источника электрической энергии; U -напряжение заряда конденсаторов.

Дальнейшие работы на эталоне, связанные с оптической калибровкой проходного прибора ОСИ-1П и передачей размера единицы энергии поверяемым СИ, аналогичны подобным работам на УВТ.Э и проводятся с использованием тех же зависимостей (47) и (21).

Результаты исследований и характеристики РЭ.Э энергии лазерного излучения представлены в табл. 26 и работе [188]. При этом значения коэффициентов преобразования приведены в ней только для справок, поскольку, как следует из (51), их значения в процессе работы РЭ.Э в явном виде не используются. Выраженная в виде СКО погрешность РЭ.Э составила 0,45%, т.е. отвечала требованиям, предъявляемым к РЭ разработанной поверочной схемой [233].

4.7.2. Образцовые средства измерений энергии и средней мощности высокоинтенсивного лазерного излучения

Внедрение новых материалов и технических решений калориметрической аппаратуры позволили реализовать столь высокую надежность и малые уровни собственных погрешностей измерительной техники, что они полностью удовлетворяли требованиям, предъявляемым не только к РСИ, но и к высокоточным ОСИ. Наличие широкого парка созданных в процессе настоящей работы высокоточных СИ открыло широкие возможности для создания многочисленных вариантов схемных решений ОСИ, позволяющих успешно решать подчас весьма сложные задачи надежной поверки различных СИ. При этом создание на ба

222

Таблица 26. Характеристики и погрешности рабочего эталона единицы энергии лазерного излучения при длине волны 10,6 мкм

Характеристика рабочего эталона Значение

1 2 3

1 Длина волны излучения, X, мкм 10,6

2 Диапазон энергии, Е, Дж 1 -2

3 Максимальная средняя мощность излучения, Ртах, Вт 20

4 Длительность импульса излучения, т, сек 0,5-1,5

5 Апертура (по проходному прибору), мм 24

6 Емкость конденсаторной батареи: БК-3 № 01, БК-3 № 02, Ом Ом 732,5 1177,6

7 Напряжение заряда конденсаторов, не более, В 100

8 Сопротивление электрического нагревателя основного калориметра, Ом 111,23

9 Калибровочный коэффициент

10 Коэффициент преобразования энергии электрического импульса, 8Э, мкВ/Дж 208,9

11 Коэффициент преобразования энергии импульса излучения, 8о, мкВ/Дж

12 Сопротивление термобатареи калориметра, Ом

13 Время между измерениями, мин 30

14 Коэффициент преобразования энергии излучения проходного прибора, 8П, мм/Дж 51,79

15 Систематическая погрешность государственного специального эталона энергии, 0 гпэ> % од

16 Систематическая погрешность измерения напряжения заряда конденсаторов, 0 и? % 0,02

17 Систематическая погрешность, связанная с зависимостью емкости от температуры, Ост, % 0,06

18 Систематическая погрешность, определяемая зонной характеристикой калориметра РЭ Э, 0ху, % 0,49

19 Систематическая погрешность, связанная с температурной характеристикой калориметра, 0 тъ % 0,15

20 Систематическая погрешность, связанная с плотностью мощности ИЗЛучеНИЯ, 0(Р/5), % 0,2

21 Случайная погрешность государственного специального эталона энергии, сугсэ> % 0,2

22 СКО результата измерений 8Э, с^э, % 0,09

23 СКО результата измерений 8П, ст8п, % 0,2

24 Выраженная в виде СКО погрешность РЭ Э. % 0,45

223 зе рассмотренных ранее высокоэнергетических широкоапертурных ИП и ИИС целой гаммы высокоточных ОСИ привело к унификации рабочей и образцовой измерительной аппаратуры с извлечением из этого ряда положительных эффектов. При этом экономический эффект был достигнут за счет исключения затрат на специальную разработку и освоение производства ОСИ и расширения сфер применения созданной измерительной техники, а метрологический - за счет внесения в процесс измерений при сличении однотипных рабочих и образцовых СИ значительной доли относительных измерений, способствующей повышению их точности. Таким образом, на базе высокоточных преобразователей ТПИ-2-5, ИПЭ-2, ТПИ-2М, ИПЭ-1-70, ИПЭ-1-70Д, ИПЭ-1-150 и ИПЭ-1-150Д и стандартных вольтметров были созданы широкоапертурные ОСИ энергии импульсного и квазинепрерывного лазерного излучения типа ТПИ-2-5(0), ОСИ-2, ОСИЭ-2М, ОСИЭ-1-70, ОСИЭ-1-70Д, ОСИЭ-1-150 и ОСИЭ-1-150Д [189, 192, 194]. Включение в состав ОСИ механических ослабителей излучения позволило значительно расширить их рабочие пределы в сторону больших уровней энергии в квазинепрерывном режиме. На базе набранных в матрицу 7x7 преобразователей ТПИ-2М рядом авторов было создано высокоэнергетическое образцовое средство измерения энергии ОСИЭ с апертурой 420 х 420 мм [105, 106].

На основе высокоточных градиентных преобразователей ТПИ-5, ИПСМ-1-70, Градиент-30, Градиент-50, Градиент-70 и стандартных вольтметров автором настоящей работы были созданы широкоапертурные ОСИ средней мощности непрерывного и импульсно-периодического лазерного излучения типа ТПИ-5(0), ОСИСМ-1-70, Градиент-ЗО(О), Градиент-50(0) и Градиент-70(0), работающие в режиме непрерывных измерений средней мощности излучения [201, 203]. Включение в состав этих ОСИ ослабителя ОМ-120БМ позволило значительно расширить пределы измерений в сторону больших уровней средней мощности. Такое решение имеет, например, ОСИ средней мощности непрерывного лазерного излучения ОСИСМ-1-70Б [201,203].

224

Для оперативного решения вопросов поверки средств измерений средней мощности излучения эксимерных лазеров, были созданы экспериментальные образцы ОСИ этого параметра, работающих в ультрафиолетовом диапазоне спектра, в том числе и за пределами границы (0,3 - 0,4) мкм. Эти ОСИ базировались на градиентных преобразователях Градиент-30, ИПСМ-15ГР и ИПСМ-15ГП. Таким образом был расширен до длины волны 0,24 мкм спектральный диапазон описанного ранее образцового прибора Градиент-ЗО(О) и созданы работающие в спектральном диапазоне до длины волны 0,22 мкм новые ОСИСМ-15ГР и ОСИСМ-15ГП. Характеристики созданных ОСИ представлены в табл. 27.

4.8. Возможные пути дальнейшего повышения точности измерений энергетических параметров лазерного излучения больших уровней

4.8.1. Экспериментальная высокоточная калориметрическая система для измерения больших уровней энергии импульсного и квазинепрерывного лазерного излучения

Как видно из приведенных в предыдущих разделах диссертации характеристик созданной высокоэнергетической измерительной техники, практически вся она обладает малыми значениями собственных составляющих погрешности, а наибольший и весьма значительный вклад в нее вносит, как правило, погрешность применяемых для их поверки образцовых или эталонных СИ. Поэтому повышение точности последних открывает пути к дальнейшему значительному повышению точности измерений этих параметров. Один из таких путей может быть связан, например, с уменьшением числа промежуточных разрядов поверочной схемы между высшими ее звеньями и поверяемыми РСИ, что, в свою очередь, требует поиска принципов построения еще более точных калориметрических систем для измерений больших уровней энергетических параметров лазерного излучения. Поэтому с целью поиска рациональных путей решения этой задачи была проведена работа по созданию экспериментального образца

Таблица 27. Характеристики калориметрических образцовых средства измерений энергетических параметров излучения технологических и эксимерных лазеров

Тип ОСИ Измеряемый параметр Типы используемых преобразователей Вариант схемы Погрешность, %

ОСИЭСМ-1-150 Энергия, средняя мощность. ЗМ-150, ИПЭ-1-150Д У1 2,5

ОСИЭСМ-1-70 Энергия, средняя мощность ЗМ-70, ИПЭ-1-70Д У1 2,5

ОСИЭ-1-150 Энергия ИПЭ-1-150Д -- 2,5

ОСИЭ-1-70 Энергия ИПЭ-1-70Д — 2,5

ОСИЭ.бОМ Энергия ТПИ-2М (ИПЭ-1-60М) 2,5

ОСИЭ. 150.50. Энергия ДМО-120С, ИПЭ-1-150 1 4

ТПИ-2-5(0) Энергия ТПИ-2-5 — 2,1-2,5

ОСИСМ-1-70 Средняя мощность ОМ-120БМ, ИПСМ-1-70 У 1,2-3

ОСИ "Градиент-30" Средняя мощность Градиент-30 -- 1,5-2

ОСИ "Градиент-50" Средняя мощность Градиент-50 — 1,5-2

ОСИ "Градиент-70" Средняя мощность Градиент-70 — 1,5-2

ОСИСМ-12ГР Средняя мощность ПСМ-12ГР — 4

ОСИСМ-12ГП Средняя мощность Градиент-12ГП — 3

226 высокоэнергетической поверочной установки, базирующейся на электрически калибруемой по методу замещения высокоточной калориметрической системе, представленной на рис. 51. В ее основу положены многие из рассмотренных ранее принципов построения эталонной калориметрической техники. Ее калориметр имеет массивный составной алюминиевый приемный элемент 1 с основной 2 и дополнительной 3 поглощающими полостями. Диаметр и глубина основной полости, все поверхности которой имеют поглощающие покрытия, составляют соответственно 45 и 100 мм. Большая полость имеет наружный и внутренний диаметры 180 и 164 мм, а глубину 220 мм. Донная часть 4 большой полости приемного элемента, а также некоторая примыкающая к ней часть цилиндрической поверхности также имеют поглощающие покрытия 5, а все остальные ее поверхности выполнены зеркально отражающими. В основной полости размещен секционный электрический нагреватель, три секции 8 которого расположены со стороны тыльной части вставки 7, а четвертая 9 - вокруг ее боковой цилиндрической поверхности. Основная полость с секциями электронагревателя закрыта с внешней стороны приемного элемента плотно прижатыми к нему двумя тепловыми экранами 10 и 11. Приемный элемент закреплен с помощью семи подвесов 12 внутри массивного цилиндрического медного пассивного термостата 13. Подвесы выполнены в виде длинных тонкостенных трубок из нержавеющей стали. Каждый подвес снабжен электронагревателем 14 и дифференциальной термобатареей 15 и представляет собой градиентный измеритель проходящего по нему теплового потока. Кроме того, подвесы тепло- и электроизолированы от приемного элемента и пассивного термостата и являются фрагментами электрических цепей выводов секций электронагревателя. Калориметр имеет дифференциальную термобатарею 16, горячие 17 и холодные 18 спаи которой плотно прижаты к приемному элементу и термостату, соответственно. При этом между горячими спаями и приемным элементом проложена лента из теплоизоляционного материала. Ввод излучения в калориметр осуществляется с помощью трубчатого световода 19, вакуумноплотно сочле

228 ненного с пассивным термостатом и закрытого герметичным входным окном 20, являющимся одновременно и ответвителем на внешний компаратор части проходящего через него излучения. Вакуумное соединение световода с термостатом выполнено легкоразъемным и осуществляется путем продольных перемещений калориметра к световоду с последующим их сжатием через прокладку с помощью прижимного устройства. Откачка воздуха из полости калориметра производится с помощью вакуумных насосов через трубчатый световод 19 и штуцер 21. Световод имеет водяную рубашку 22 типа труба в трубе для прохода термостатирующей жидкости из внешнего контура стандартного жидкостного термостата. Покрытия световода и канала для его ввода в приемный элемент выполнены аналогично реализованным в рассмотренном ранее ГПЭ.СМ.

Техническое решение калориметра обеспечивает регуляризацию его рабочего теплового режима за время формирования выходного сигнала, составляющее несколько минут. Целая система электронагревателей позволяет тщательно исследовать его зонную характеристику, не превышающую 0,1 %. Система поглощающих полостей обеспечивает высокую степень черноты калориметра, составляющую для донышка, малой полости и калориметра в целом значения 0,82; 0,985 и 0,9992, соответственно. Оптические и электрические тепловые источники сосредоточены в одних и тех же зонах приемного элемента, что обеспечивает высокую эквивалентность тепловых потерь калориметрической системы в окружающую среду при оптическом и электрическом воздействиях, характеризующуюся значением 0,99978. При этом вакуумирование полости между пассивным термостатом и приемным элементом, большая масса и небольшой нагрев последнего (при энергии 50 кДж повышение температуры составляет ~ 5°С), а также целая система защитных тепловых экранов позволяют минимизировать его теплообмен с окружающей средой и свести к минимуму тепловые потери за время формирования и измерения выходного сигнала. Так, относительные потери тепла за это время с поверхности приемного элемента конвекцией и теплопроводностью через слой остаточного газа составляют 0,044%;

229 за счет переизлучения 0,077%; по подвесам 0,014% и по электродам термобатареи 0,018%. Таким образом, суммарные относительные потери тепла за время измерения оцениваются долей, составляющей 0,15%. Но поскольку подобные потери сопровождают как оптическое, так и электрическое воздействие, то на погрешность калориметрической системы оказывает влияние только их неэквивалентность. При этом конструкция калибруемых подвесов позволяет контролировать и оценивать проходящие по ним тепловые потоки, а, следовательно, и учитывать связанные с ними потери тепла.

Результаты исследований и характеристики экспериментальной калориметрической системы рассмотрены в следующем разделе, посвященном поверочной установке, базирующейся на этой системе. \

4.8.2. Экспериментальная высокоточная поверочная установки для средств измерений больших уровней энергии и средней мощности лазерного излучения

Для поиска путей повышения точности поверки образцовых и высокоточных рабочих СИ энергетических параметров лазерного излучения больших уровней была создана экспериментальная поверочная установка [210]. Ее схема изображена на рис. 52. В ее состав, помимо рассмотренной калориметрической системы 3, входил также затвор ЗМ-70 2, преобразователь 8 энергии ИПЭ-1-150Д с делительной пластиной 7 из 2п8е, а также серийные вольтметры, частотомеры, источник постоянного тока и технологический 1 лазер МТЛ-2.

В процессе работы установки проводилась электрическая калибровка ее калориметрической системы, предварительно состыкованной со световодом и ва~ куумированной. При этом значение коэффициента преобразования электрической энергии 5э определялось по формуле: г, (51) где: УН1, УН2, Ук - начальные и конечное значения выходного сигнала в процессе электрического воздействия на калориметрическую систему; Я - паспортное

231 разования энергии используется значение определенное по формуле (53). При этом, если на установке поверяется высокоточный преобразователь ИПЭ-1-150, имеющий плоскую приемную поверхность, то может быть проведена оценка уровня энергии рассеянного излучения с помощью специально разработанного проволочного болометра, устанавливаемого на выходе световода после расстыковки его с калориметрической системой (стадия 3) и подачи контрольного импульса излучения. Это дает возможность при необходимости вносить в результат измерений соответствующую поправку и повысить его точность.

Помимо энергии установка позволяет также проводить измерения средней мощности излучения, значение которой Р определялось, исходя из известной зависимости:

Р = 12/т, (54) где: - определенное согласно (54) значение энергии сформированного затвором импульса излучения, а г - его длительность.

Если поверяемым прибором является быстродействующий измеритель средней мощности излучения, то значение последней косвенно измеряется по формуле (54) по показаниям затвора и проходного измерителя энергии. Если поверяется более инерционный измеритель средней мощности излучения, быстродействие которого не позволяет завершить процесс измерения за время импульса, то затвор временно переводится в положение перед преобразователем ИПЭ-1-150Д в пучок отраженного от делителя излучения, подается непрерывное излучение лазера в поверяемый прибор и после выхода последнего на режим измерений подается затвором импульс излучения в проходной измеритель энергии и определяется значение мощности излучения так же, как это делается при поверке быстродействующего прибора.

Результаты исследований, характеристики и погрешности экспериментальной калориметрической системы и установки представлены в табл. 28.

232

Таблица 28. Характеристики и погрешности калориметрической системы для высокоточных измерений энергии лазерного излучения и высокоэнергетической поверочной установки

Характеристика Значение

1 Рабочая длина волны излучения, мкм 10,6

2 Диапазон энергии, Дж (5 - 50)-103

3 Уровень средней мощности, Вт (1-16>102

4 Длительность импульса, с. 10-2-Ю2

5 Коэффициент преобразования электрической энергии S3, мкВ / Дж 201,2

6 Коэффициент эквивалентности тепловых потерь Кэ 1,002

7 Коэффициент поглощения Кп 0,9992

8 Апертура, мм 45

9 Время выхода, мин. 18

10 Время между измерениями, ч. 2,5

11 Электрическое сопротивление нагревателя калориметра, Ом 222,6

12 Электрическое сопротивление термобатареи калориметра, Ом 3520

13 Чувствительность подвесов, мкВ/Вт 620

14 Электрическое сопротивление нагревателей подвесов приемного элемента, Ом 12

15 Электрическое сопротивление термобатареи подвесов, Ом 25

16 СКО измерения Sa, cts3, % 0,1

17 СКО измерения Кэ, сткэ, % 0,2

18 СКО измерения Кп, сткп, % 0,024

19 НСП измерения Кп, 0кп, % 0,04

20 НСП измерения длительности импульса, 0Т, % 0,06-0,003

21 НСП измерения 8э, Обэ, % 0,3

22 НСП, уровень энергии, Os^e), % 0,05

23 НСП, температура окружающей среды, 6Т, % 0,05

24 НСП, зонная характеристика, 0Ху, % 0,2

25 НСП, плотность МОЩНОСТИ, 0p/s, % од

26 СКО измерения энергии излучения, аЕо, % 0,11

27 НСП измерения энергии излучения, 6Ео, % 0,26

28 СКО передачи единицы энергии, aSn, % 0,18

29 НСП передачи единицы энергии, 6sn, % 0,26

233

4.8.3. Оценка возможного повышения точности средств измерений больших уровней энергетических параметров лазерного излучения

Результаты исследований созданной экспериментальной измерительной техники показали, что выбранные принципы ее построения, технические и схемные решения позволяют реализовать высокую точность измерений больших уровней энергии и средней мощности квазинепрерывного и непрерывного лазерного излучения. Ее использование, например, для поверки созданных в процессе настоящей работы ОСИЭСМ-1-150 или ИПЭ-1-150 позволяет снизить их погрешность с (2,5 - 3)% до 1,5%, что будет практически соответствовать называвшимся ранее самым жестким технологическим требованиям и превысит лучшие характеристики подобных СИ, работающих при уровнях энергии до 40 кДж и диаметрах пучков излучения до 150 мм [210]. Это позволяет сделать вывод о том, что созданная измерительная техника дает возможность при необходимости реализовать путь дальнейшего повышения точности измерений.

ЗЛО. Выводы к главе 4

Предложенные принципы построения, а также технические и схемные решения калориметрических ИП и ИИС на их основе обеспечили возможность создания высокоточной эталонной и образцовой измерительной техники, необходимой для воспроизведения и передачи размеров единиц энергетических величин лазерного излучения от эталонов к высокоточным РСИ и таким образом на высоком метрологическом уровне решить задачу аппаратурного оснащения практически всех разрядов новых поверочных схем. Более того, создание широкого парка ОСИ, работающих как в непрерывном, так и в дискретном режимах измерений, расширяет возможности выбора разных вариантов методов передачи размеров единиц энергии и средней мощности лазерного излучения и позволяет качественно решать задачи калибровки или поверки практически любых существующих РСИ этих параметров.

234

ГЛАВА 5. Совершенствование системы обеспечения единства измерений средней мощности оптического излучения в волоконно-оптических системах передачи

5.1. Постановка задачи

Волоконно-оптические системы передачи (ВОСП) очень быстро получили широкое применение в различных областях практической деятельности. Это нашло отражение в соответствующем развитии применяемой в ВОСП измерительной техники, включая и СИ средней мощности оптического излучения, средой распространения которого являются волоконно-оптические кабели. Поскольку эта измерительная техника нуждалась в обеспечении ее надежной поверки, возникла проблема ОЕИ средней мощности оптического излучения в ВОСП. При выработке подхода к решению этой проблемы было принято во внимание, что в стране с 1978 г. уже действовала рассмотренная в главе 4 система ОЕИ средней мощности лазерного излучения, базировавшаяся на поверочной схеме, возглавляемой ГПЭ.СМ. Это давало возможность использовать для поверки измерительной техники ВОСП обычные стандартные ОСИ (в новой терминологии - рабочие эталоны соответствующих разрядов) малых уровней средней мощности лазерного излучения. Поскольку этот подход практически не требовал дополнительных затрат на создание специализированной эталонной техники и обеспечивал наиболее быстрое оперативное решение остро стоявших задач поверки применяемой в ВОСП измерительной техники, он и был предложен во ВНИИОФИ проф., д.т.н. А.Ф.Котюком и д.т.н. С.В.Тихомировым и реализован на начальных этапах решения рассматриваемой проблемы. В 1988 г. под их руководством, отвечая потребностям развития СИ малых уровней средней мощности излучения, к числу которых относилась и применяемая в ВОСП измерительная техника, возглавляемая ГПЭ поверочная схема была усовершенствована, что выразилось в частности в образовании ее специальной низкоуровневой ветви, возглавляемой рабочим эталоном. Это позволило, например, ценой некоторой потери точности ОСИ 1-го разряда с 1 до 1,5%, на порядок

235 расширить их рабочий диапазон в сторону малых уровней средней мощности с 10"4Вт до 10"5 Вт. В процессе дальнейшего совершенствования системы метрологического обеспечения области измерений средней мощности лазерного излучения во ВНИИОФИ коллективом руководимых д.т.н. А.Ф.Котюком сотрудников было проведено еще одно усовершенствование рассматриваемой поверочной схемы, которое выразилось в частности в появлении еще одной промежуточной ступени этой схемы в виде эталона-копии. При этом возглавляемая рабочим эталоном ветвь малых уровней средней мощности практически не претерпела изменений. Таким образом имел место постоянный процесс совершенствования системы ОЕИ средней мощности лазерного излучения, в том числе и в области его малых уровней. Последнее, при выбранном подходе к решению рассматриваемой проблемы, автоматически приводило к некоторому улучшению состоянии ОЕИ средней мощности оптического излучения в ВОСП, развитие которых продолжалось быстрыми темпами. Результатом этого развития являлось постоянное расширение парка применяемых в ВОСП средств измерений. Эта тенденция и в настоящее время имеет устойчивый характер. Следствием этого явилось и соответствующее увеличение объемов испытательных, поверочных и аттестационных работ и накопление большого опыта их проведения. Этот опыт, учет постоянной тенденции к повышению требований к точности применяемых ВОСП средств измерений средней мощности излучения, а также переход к одномодовым трактам с апертурой ~10 мкм на длинах волн 1,3 и 1,55 мкм приводили к выводу о том, что дальнейшее совершенствование системы ОЕИ в энергетической лазерометрии должно базироваться на специализированной измерительной технике [234, 235]. Этот вывод был связан с целым рядом факторов, затруднявших проведение надежных метрологических исследований используемой в ВОСП измерительной техники и являвшихся источниками дополнительных, трудно учитываемых погрешностей измерений. К числу этих факторов в первую очередь относились:

- средой распространения излучения в ВОСП является не свободная воздуш

239 принципов ее построения;

- поиск аппаратурных и схемных решений УВТ;

- разработку поверочной схемы для СИ средней мощности излучения в ВОСП;

- поиск принципов построения и технических решений образцовых средств измерений;

- разработку методов метрологической аттестации УВТ и ОСИ.

5.2. Калориметрическая система для измерений средней мощности оптического излучения в составе поверочной установки высшей точности

Для решения поставленных задач была проведена разработка специализированных для работы с ВОСП эталонных СИ средней мощности оптического излучения, использующих калориметрический принцип, являющийся, как уже было показано ранее, наиболее точным и позволяющий проводить электрическую калибровку этих СИ методом замещения. С этой целью был создан представленный на рис. 53 высокоточный эталонный преобразователь ПСМ-ПЭ [234, 235]. Он работает в диапазоне средней мощности излучения от 10"4 до 10"2 Вт и характеризуется основной погрешностью 0,14 %. Высокая точность этого СИ достигнута благодаря использованию принципов построения высокоточных калориметров, многие из которых были опробованы и успешно реализованы в ГПЭ единицы средней мощности лазерного излучения и описаны ранее. Напомним, что к ним, в первую очередь, относятся высокая поглощательная способность полостной модели приемного элемента 7; формирование и вакууми-рование единой оптически замкнутой системы приемник-источник излучения; градиентный тип приемника и автомодельный тепловой режим работы его приемного элемента. Но, поскольку ПСМ-ПЭ предназначен для работы со значительно более низкими уровнями средней мощности излучения, его коэффициент преобразования был существенно увеличен, что обеспечило возможность работы с самой точной стандартной электроизмерительной техникой, несмотря на значительное снижение входного оптического сигнала. Достигнуто это было

242 распространяющаяся по электропроводам. При этом температурное поле в этой части градиентного приемного элемента носит автомодельный характер, чему в частности способствует небольшой диаметр его полости 1 и ее резкое сужение перед зоной термобатареи 5. Соединение в преобразователе кабельной и блочной частей оптического разъема производится с помощью упорной втулки 19 и колпачка 17, что позволяет исключить возможность их контактов с руками оператора, вызывающих резкое изменение их температуры и последующее нарушение термодинамического равновесия калориметра с окружающей средой.

Преобразователь работает в широком диапазоне длин волн. Его коэффициент преобразования составляет не менее 250 мВ/Вт, а время формирования выходного сигнала не превышает 2,5 мин. На рис. 54 показано полученное аналитическим путем распределение температуры вдоль полости приемного элемента калориметра при оптическом и электрическом воздействиях, а также имеющие при этом место лучистые и тепловые потоки. Характеристики и погрешности эталонного преобразователя приведены в следующем разделе, посвященном УВТ, в составе которой он исследовался и эксплуатируется.

5,3. Установка высшей точности для калибровки средств измерений средней мощности излучения в волоконно-оптических системах передачи

На основе преобразователя ПСМ-ПЭ создана специализированная установка высшей точности для воспроизведения размера единицы средней мощности оптического излучения в ВОСП и передачи его рабочим эталонам (ОСИ) и высокоточным РСИ [234, 235]. Ее структурная схема представлена на рис. 55. Установка допускает два варианта ее эксплуатации - с вакуумированием и без него. Поскольку корпус калориметра не является вакуумноплотным, для работы с вакуумированием была создана изображенная на рис. 55 вакуумная камера 6, оснащенная стандартными вакуумными насосами 16 и 17, вакуумметром 18 и жидкостным термостатом 15. Источниками излучения на установке служат заканчивающиеся световодами 3 инжекционные лазеры 1, работающие на дли

250 теризуются погрешностью (1- 2,5)%, в зависимости от точности используемого для его поверки вышестоящего эталонного СИ.

Для расширения диапазона высокоточной поверки РСИ в сторону малых уровней были созданы представленный на рис. 57 преобразователь средней мощности лазерного излучения калориметрический эталонный (образцовый) дисковый ПСМ-ДО и базирующийся на нем рабочий эталон [234, 235]. Он отличается от преобразователя ПСМ-ПО техническим решением приемного элемента 7, выполненного в виде плоского алюминиевого черненого диска диаметром 6 мм и толщиной 0,1 мм, имеющего по периферии отбортовку высотой 0,5 мм. Для повышения поглощательной способности калориметра в защищающем диск тепловом медном экране 7 выполнена зеркально отражающая излучение полость в виде полусферы, возвращающая на диск значительную долю отразившегося от него излучения. При этом черненая отбортовка диска образует с телом экрана 7 систему воздушных зазоров, представляющую собой оптическую ловушку, которая препятствует попаданию излучения на чувствительный элемент 3. Повышение быстродействия до 30 с и коэффициента преобразования до 2 В/Вт, а также расширение диапазона измерений прибора ПСМ-ДО в сторону малых уровней средней мощности достигнуто за счет уменьшения размеров и массы его приемного элемента и увеличения термического сопротивления измерительного участка теплопровода. При этом последнее определяется слюдяной подложкой толщиной 10 мкм и чувствительными слоями (теллурид свинца - 2,7 мкм и железо - 1,2 мкм) пленочной термобатареи 3, применяемой для всех рассматриваемых ИП типа ПСМ. Достижение высокой точности прибора стало возможным благодаря высокой теплопроводности и компактности приемного элемента при большом термическом сопротивлении термобатареи. Остальные узлы ПСМ-ДО унифицированы с аналогичными узлами рассмотренных преобразователей ПСМ. Преобразователь и рабочий эталон работают в

5 3 диапазоне средней мощности (10" -10" ) Вт и характеризуются погрешностью (2 - 3)%.

9 7 2 8 10 щ

Рис.57. Преобразователь ПСМ-ДО

1. Приёмный элемент. 2. Термостат. 3. Термобатарея. 4. Фланец. 5. Электронагреватель. 6. Входное окно. 7. Экран. 8. Воздушный зазор. 9. Фторопластовая оболочка. 10. Алюминивая оболочка. 11. Наружный теплоизолирующий корпус. 12. Компенсационный приемный элемент. 13. Блочная часть оптического разъёма. Н. Центрирующий диск блочной части разъёма 15. Теплоизолирующий защитный колпачок. 16. Основание с коробкой электровыводов. 17. Составная упорная втулка разъёма.

252

Для косвенного измерения средней мощности лазерного излучения с помощью приборов ПСМ-ПО, ПСМ-ДО и созданных на их базе рабочих эталонов (ОСИ) используется приведенная ранее зависимость (28).

Характеристики рабочих эталонов приведены в таблице 30 и работах [234, 235].

5.6. Выводы к главе 5

Результатом работ, выполненных в рамках настоящей диссертации в области ОЕИ средней мощности оптического излучения в ВОСП, является следующее:

- создана специализированная УВТ, погрешность которой составляет 0,14%, что отвечает современным требованиям;

- разработана Государственная поверочная схема, позволяющая повысить точность и надежность поверки применяемой в ВОСП измерительной техники;

- созданы рабочие эталоны (ОСИ), метрологические характеристики которых полностью отвечают высоким требованиям разработанной поверочной схемы к точности СИ этой ступени.

Таким образом можно сделать вывод, что в результате работы улучшено состояние системы ОЕИ в этой области энергетической лазерометрии, что отвечает требованиям быстро прогрессирующего использования ВОСП в многочисленных направлениях человеческой деятельности.

ГЛАВА 6. Методики исследований, поверки и проведения измерений с использованием разработанной измерительной техники

6.1. Постановка задачи

В предыдущих главах диссертации при оценке точности получаемых результатов измерений основное внимание было уделено исследованиям источников инструментальных погрешностей, методов и технических средств и их минимизации. Однако при воспроизведении и передаче размеров единиц в энергетиче

257

В состав неисключенных систематических составляющих погрешности подвергавшегося метрологическим исследованиям СИ включались как паспортные значения погрешностей использовавшихся при этом приборов, так и погрешности, вызванные влиянием неинформативных параметров излучения и факторов. В последнем случае для оценки, например, систематической погрешности вщ, связанной с зависимостью Рщ какого либо параметра N от фактора / сначала исследовалась и оценивалась эта зависимость:

2), (57) где://, /2, N1, -значения неинформативного параметра или фактора, имевшие место в процессе аттестационных работ и соответствующие им значения исследуемого параметра. Затем полученная таким образом зависимость использовалась для оценки соответствующей систематической составляющей погрешности: дыф = Рыф 4/> (58) где: Л/ - пределы изменений исследуемого фактора в процессе эксплуатации аттестуемого СИ, допускаемые его эксплуатационной документацией.

Оценка погрешности в виде СКО обычно проводилась при аттестации Госу-дарственныых и рабочих эталонов и УВТ. Погрешность РСИ и ОСИ характеризовалась основной погрешностью, обычно представлявшей собой удвоенное значение полученного аналогичным образом СКО.

Отличие в составе исследуемых характеристик эталонов и УВТ с одной стороны и ОСИ и РСИ - с другой, повлекло за собой отличия и в методах метрологических исследований, и в составе применяемой при этом измерительной аппаратуры. Поскольку, по большому счету, любая система ОЕИ начинается с воспроизведения соответствующих величин, рассмотрение методов метрологических исследований СИ начато с методик аттестации Государственных эталонов и УВТ. При этом основной акцент сделан на ключевых вопросах, принципиально важных для достижения высокой точности проведения этих работ.

258

6.2. Методики аттестации Государственных эталонов и поверочных установок высшей точности

6.2.1. Методики аттестации поверочной установки высшей точности для средств измерения энергии импульсного лазерного излучения при длине волны 10,6 мкм

Отсутствие стандартных высокоточных импульсных источников электрической энергии привело к необходимости разработки и аттестации нестандартных источников БК-3 и БПИ-2. Метод аттестации БК-3 включал в себя измерение емкости конденсаторной батареи и исследование ее зависимости от температуры окружающей среды, саморазряда через сопротивление изоляции и значений абсорбционных емкостей [250]. Как упоминалось ранее, при всех исследованиях проводились серии измерений исследуемых параметров N, определялись их средние значения и оценивались СКО полученных результатов согласно (56). Измерения емкости батареи проводились поконденсаторно с помощью моста переменного тока Ф585 класса 0,2, погрешностью которого определялась систематическая погрешность этих измерений вс- Исследования зависимости емкости от температуры Fc(t), проводились при разных температурах конденсаторной батареи 7у и Т2, задаваемых с помощью термостата ТС-24. При этом систематическая погрешность источника весть связанная с этой зависимостью, определялась согласно (57) и (58), для ЛТ, характеризующего нестабильность температуры воды в термостате ТС-24. При исследовании влияния на погрешность БК-3 абсорбционных емкостей, блок заряжался до напряжения U3 = 0,95 В, затем разряжался в течение двух секунд на сопротивление калориметра, отключался от калибровочной цепи и регистрировалось нарастание напряжения UA на его контактах, вызванное разрядом абсорбционных емкостей на номинальную. Значение поправочного коэффициента на абсорбцию КА определялось по формуле:

Ka=(U32+Ua2)/U32. (59)

261 калибровка калориметра на одном уровне энергии, но при напряжениях заряда 19,5 и 30 В конденсаторных блоков емкостью 1910 и 732 мкФ, соответственно. Отличие результатов составило 0,02%, т.е. явно находилось в пределах точности измерений. Окончательное значение воздействующей на калориметр электрической энергии ()э определялось по формуле: э = КАКиКппСи2/2, (64) где: КА, КИ,КПП - поправочные коэффициенты, определенные по формулам (59), (60) и (63), соответственно; С и V - полученное ранее значение емкости конденсаторной термобатареи и измеряемое с помощью вольтметра напряжение ее заряда.

При аттестации основного и дополнительного калориметров ИПЭ-2К проводилась их электрическая калибровка с определением коэффициентов преобразования 8Эо и по формуле, аналогичной (47). При этом в качестве Q использовалось полученное согласно (64) значение £}э.

С учетом высоких требований к точности и надежности источника электрической энергии и высокой значимости возлагаемых на него метрологических функций при воспроизведении размера единицы энергии помимо двух конденсаторных источников для аттестации УВТ был разработан и аттестован источник прямоугольных импульсов электрической энергии и проведено сличение всех трех источников.

Определение электрической энергии бэпри работе источника прямоугольных импульсов проводилось по формуле: дэ=КппКфи2т/Кщ, (65) где: КПп - поправочный коэффициент, учитывающий потери энергии в подводящих проводах, определяемый по формуле (63); V и т - напряжение и длительность прямоугольного импульса, измеряемые с помощью вольтметра и частотомера, соответственно; ЯКц - определенное по формуле (62) электрическое сопротивление калибровочной цепи, Кф -поправочный коэффициент, характеризующий форму импульса и учитывающий потери энергии на его фронте и

262 срезе.

Методика определения Кф представлена на рис. 59. Она базировалась на электрической калибровке калориметра импульсами разной длительности, при этом длинный импульс условно рассматривается как сумма двух коротких, один из которых, как бы врезанный в середину другого, имеет чисто прямоугольную форму, а другой имеет потери на фронте и срезе. В процессе исследований в калориметр поочередно подавались прямоугольные импульсы электрической энергии при постоянном напряжении с длительностью, близкой к 1 и 0,5 с. При этом измерялись точные значения длительности реальных импульсов гI и т0,5 и вызванные ими приращения выходного сигнала калориметра V) и У2. Далее, исходя из равенства абсолютных потерь энергии на фронте и срезе реальных импульсов постоянного напряжения и разной длительности, вычитались одноименные параметры одного импульса из другого и, на основании принципа элементарной суперпозиции [251] получались аналогичные параметры для идеального прямоугольного импульса, лишенного исследуемых потерь, и оценивались для реального и идеального импульсов отношения К1 и Кп по единой формуле:

К = V/ т. (66)

С использованием этих значений, определялся поправочный коэффициент Кф на потери энергии на фронте и срезе реального импульса длительностью, близкой к 1 с, по формуле:

Кф = К] / К п, (67) где: К1 и Кп - значения отношений (66) для реального длинного и идеального прямоугольного импульсов.

Экспериментальные исследования коэффициента эквивалентности тепловых потерь в окружающую среду с поверхности основного Кэо и дополнительного КЭд приемных элементов калориметрической системы ИПЭ-2К при оптическом и электрическом воздействиях проводились на вакуумной установке, представленной на рис. 60. Методика исследований Кэ была построена на спра

265 ведливости зависимостей:

S0 = KnK3S3, (68)

Sob = кп S3b , (69) где: S3, S3b, So, Sob - коэффициенты преобразования мощности электрического тока и излучения при атмосферном давлении и вакууме, соответственно; Кп -коэффициент поглощения. Из этих выражений вытекает формула косвенного измерения К3, имеющая вид:

Кэ = SoS3ß / Sob S3. (70)

Относительный характер методики позволил несколько видоизменить зависимость (70) и привести ее к виду:

K3 = M0S3B / Mob S3, (71) где: S3 и S3B - значения коэффициента преобразования электрической энергии, полученные по формуле (47) путем электрической калибровки поочередно устанавливаемых в вакуумную камеру калориметров в условиях нормального давления и вакуума, соответственно, с полной релаксацией после каждого воздействия, а значения Мо и Мов определялись для тех же условий по формуле:

M0=AVK/AVn, (71) где: AVK и AVn - приращения выходных сигналов исследуемого калориметра и проходного прибора при подаче импульса излучения лазера, входящего в состав вакуумной установки.

Исследования коэффициента поглощения калориметрической системы проводились по методике, иллюстрируемой рис. 61. При этом в калориметрическую систему ИПЭ-2К, состыкованную по схеме рис. 61,а с калориметром отраженной энергии ТПОИ-5, подавался импульс энергии лазерного излучения и измерялись приращения выходных сигналов основного AV0.o и дополнительного А У0.д калориметров системы, а также калориметра отраженной энергии АУо.тпои. После полного остывания всех калориметров без их расстыковки поочередно проводилась их электрическая калибровка, в процессе которой уровень электрической энергии подбирался близким к уровню предыдущего опти

En Ег

0.0

0.ТП0И О.Д б).

Е. с^3 э.о

Ъд. в). тпои-д су

Рис.61. Методика исследования коэффициента поглощения системы ИПЭ-2К. а). Оптическое воздействие на систему НПЭ-2К, состыкованного с преобразователем энергии отраженного излучения ТПОИ-5. б), в), и г). Поочередная электрическая калибровка соответственно основного и дополнительного калориметра системы и состыкованного с ней прибора ТПОИ-5 и исследование реакции на это состыкованных с калибруемым соседних приборов. д). Исследование прямого попадания в ХЛОИ направляемого в систему излучения. е) Оценка потерь излучения через входное окно ТПОИ-5 с помощью сканирующего устройства СУ, поочередно устанавливаемого в положения 1, 11, 111.

271 исследования их зависимости от этих факторов Р3э0(0)< Рзэд(О), ^Зэгг) с последующей оценкой этих погрешностей в соответствии с (57) и (58). Систематическая погрешность Оху определялась путем сличения калориметрической системы с проходным прибором установки. При этом после подачи импульса излучения лазера фиксировались приращения выходных сигналов основного АУ0и дополнительного АУД калориметров, а также проходного прибора АУП и определялось отношение N показаний последнего и системы по формуле:

N = (АУ0 /8эо Кэо+ ЛУД Кэд) /АУП, (85) где: 8эо, $эд, Кэо, Кэд - значения коэффициента преобразования электрической энергии и коэффициента эквивалентности тепловых потерь основного и дополнительного калориметров, соответственно. По этой методике проводились серии измерений, отличающиеся местом падения пучка излучения на приемную поверхность калориметрической системы, определялись средние значения Ыц, Ип, АО/, Ив, Л^я -для центра, правого, левого верхнего и нижнего участков приемной поверхности для пучка диаметром 7 мм с эксцентриситетом 5 мм, вычислялось его среднее значение для всех серий ИСр и определялось значение 6Ху аналогично (57).

Исследования динамических характеристик основного и дополнительного калориметров проводились по записи их выходных сигналов на ленте самопишущих потенциометров. При этом определялось время выхода тв, равное промежутку времени от момента подачи импульса энергии до момента достижения максимального значения выходного сигнала; время сохранения максимального значения выходного сигнала тс, как время его спада до уровня 0,99 от максимального, и время между двумя последовательными измерениями ти при одном уровне энергии, как время от момента подачи импульса до момента спада выходного сигнала до уровня 0,05 от максимального значения.

Исследования шумового сигнала Ущ калориметров проводились по кривой записи дрейфа их нулевого уровня. При этом Уш определялся как максимальный уход последнего за промежуток времени, равный сумме времен выхода тв

322

1, 1993.-С.23.

109. Либерман А.А., Улановский М.В. Установка для поверки средств измерений средней мощности лазерного излучения и сертификации непрерывных лазеров. - Измерительная техника, № 1, 1993. - С.28.

110. Раппопорт Е.С. Установка для поверки средств измерений средней мощности непрерывного лазерного излучения больших уровней. - Измерительная техника, № 2,1993. - С.35.

111. Райцин A.M., Рубинштейн В.М. Измерение нестабильности мощности лазерного излучения калориметрическими средствами измерений и их аттестация, - Измерительная техника, № 3,1993. - С. 18.

112. Кауфман С.А., Кнюпфер А.П., Либерман А.А. Установка для поверки средств измерений средней мощности лазерного излучения. -Измерительная техника, № 11,1986. - С.25.

113. Sakyrai К. u.a. IEEE Transactions Instr. and Meas. V. UM-16, n. 3, 1967.

114. Appl. Optic. V. 12, № 11, 1973.

115. Dale E. u.a. IEEE Transactions Instr. and Measur. V. UM-23, n. 4, 1974.

116. Промышленное применение лазеров. / Под ред. Г.Кебнера: Пер. с англ. А.Л. Смирнова: Под ред. И.В.Зуева. - М.: Машиностроение, 1988. - 280 с.

117. Ward J. F. Absolute measurement of an optical-rectification coefficient in ammonium dihidrogen phosphate. Phis. Rev., vol. 143. March 1966. - P. 569.

118. Sakyrai K., Mitsuhashi Y., Honda T. A laser microcalorimetr: Program. Conf. on Precision Electromagnetic Measurement (Abstracts, pp. 14 - 16), NBS, Bulder, Colo., 1966.

119. Jennings D.A. Calorimetric measurement of pulsed laser output energy. - Program. Conf. on Precision Electromagnetic Measurement (Abstracts, pp. 13 -14), NBS, Bulder, Colo., 1966.

120. Winogradoff N. N., Kessler H. K. Radiative recombination lifetimes in laser-excited silicon. Appl. Phys. Lett.,Vol. 8, pp. 99 -101, February 1966.

121. Sakurai K. u.a. IEEE Transactions Instr. and Meas., vol. UM-16, № 3, 1967.

327

2М. - Измерительная техника, № 8, 1988. - С. 20 - 22.

178. Духовской Е.А., Козаченко M.JI., Силин A.A. Многоэлементный первичный измерительный преобразователь энергии одиночных импульсов лазерного излучения. - Авторское свидетельство, № 936682, 1982. - 8 с.

179. Козаченко M.JL, Хатырев Н.П. Широкоапертурные многоэлементные преобразователи энергии лазерного излучения.: Обеспечение единства измерений в фотометрии и радиометрии оптического излучения: Тезисы доклада конференции. - М. : 2001. - С. 61 - 62.

180. Дойникова Ю.В., Козаченко М.Л., Хатырев Н.П. Изобретение. -Авторское свидетельство, № 306783, 1989.

181. Жучкова З.В., Козаченко M.JL, Марно В.Л, Хатырев Н.П. Измерительные преобразователи энергии лазерного излучения ИПЭ-1-70, ИПЭ-1-70Д: Применение лазеров в науке и технике: Тезисы доклада семинара. - Тольятти: 1989. -С.127.

182. Дойникова Ю.В., Козаченко М.Л., Хатырев Н.П. Разработка калориметрических преобразователей энергии лазерного излучения ИПЭ-1-150 и ИПЭ-1-120М. - Измерительная техника, № 7, М.: 1990. - С. 24 - 25.

183. Дойникова Ю.В., Козаченко М.Л., Хатырев Н.П. Изобретение. -Авторское свидетельство, № 306784, 1989.

184. Козаченко М.Л., Хатырев Н.П., Яковлев В.А. Применение технологических лазеров и задачи их метрологического обеспечения: Применение лазеров в науке и технике: Тезисы доклада семинара, - Тольятти: 1989. - С. 17-18.

185. Попов М.М. Термометрия и калориметрия. - М.: Изд. Московского университета, 1954. - 930 с.

186. Агеев В.П. и др. Пробой газов вблизи твердых мишеней импульсным излучением С02-лазеров. - Известия ВУЗов, изд.-во Томского университета, № И, 1977.-С. 34.

187. Григорьев Б.А., Нужный В.А., Шибанов Б.В. Таблицы для расчета нестационарных температур плоских тел при нагреве излучениями. - М.: Изд.-во вне; ультатов диссертации

Козач< искание ученой степени ж^^т^ЬтУМ внииофи

В.С.Иванов

ШтйщШ% (У 2001 г. доктора технических наук

1. Во ВНИИОФИ внедрены следующие результаты диссертации Козаченко МЛ.: 1.1. Эталонные калориметрические преобразователи энергии и средней мощности излучения лазеров и в волоконно-оптических системах передачи (ВОСП), в которых реализованы предложенные диссертантом новые принципы построения, технические решения и материалы.

1.3. Государственный первичный эталон для воспроизведения размера единицы средней мощности лазерного излучения и возглавляемая им Государственная поверочная схема для СИ этого параметра ГОСТ 8.275-78.

1.4. Государственный специальный эталон для воспроизведения размера единицы энергии лазерного излучения и возглавляемая им Государственная поверочная схема для СИ этого параметра ГОСТ 8.276-78.

1.5. Установка высшей точности для воспроизведения размера единицы средней мощности оптического излучения в ВОСП и возглавляемая ею Государственная поверочная схема для СИ этого параметра МИ2558-99.

1.6. Рабочий (вторичный) эталон единицы энергии лазерного излучения и параметрический ряд ОСИ (рабочих эталонов) для передачи рабочим СИ в соответствии с разработанными поверочными схемами размеров единиц энергии и средней мощности излучения лазеров и в ВОСП.

1.7. Методики аттестации, поверки и метрологических исследований характеристик созданных эталонов, ОСИ и РСИ и созданная для этих целей вспомогательная измерительная техника (калориметры отраженного и поглощенного излучения, источники электрической энергии, вакуумные установки, лазерные стенды).

2. Внедренные результаты работ получены в ходе выполнения ГБ работ по темам 10501ГБ, 11294ГБ, 11716ГБ, 12501ГБ и др. по созданию, хранению, применению и совершенствованию эталонных и образцовых СИ, а также по х/д темам шифр

6Ф», «Эталон», «Кипарис», «ЛВ-103», «Сигма», «Метрика-1»,.«Метрика-7»,

Оптика» и др. по созданию ОСИ и РСИ в (1975 - 1999) гг.

3. Указанные результаты диссертации внедрены в лабораториях Ф-2 и Ф-3 при создании новых систем обеспечения единства измерений энергии и средней мощности излучения лазеров и средней мощности излучения в ВОСП, соответственно.

4. Результаты внедрений позволили повысить в стране точность измерений названных параметров, что имеет важное значение для эксплуатации и развития различных лазерных и волоконно-оптических систем, получающих все большее применение в самых разных областях I ики.

Начальник подразделения Ф-3

С.В.Тихомиров.

344

УТВЕРЖДАЮ

АКТ внедрения в ГУП "НПО Астрофизика" результатов диссертации Козаченко М.Л., представленной на соискание ученой степени доктора технических наук

1. В "НПО Астрофизика" внедрены следующие результаты диссертации Козаченко М.Л.:

1.1. Калориметрические преобразователи энергии и средней мощности излучения широкоапертурных лазеров.

1.2. Шйрокоапертурные многоканальные калориметрические преобразователи энергии излучения высокоинтенсивных импульсных лазеров.

2. Внедренные результаты получены в ходе выполнения работ по х/договорам НПО «Астрофизика» с ВНИИОФИ (темы: "6Ф", "Эталон", "Кипарис", "ЛВ-103" и др.) по разработке и обеспечению серийного выпуска отечественной промышленностью в период 1975 - 1990 гг. стойкой к излучению широкоапертурной измерительной аппаратуры.

3. Указанные результаты диссертации внедрены в лабораториях "НПО Астрофизика" при исследовании параметров излучения новой лазерной техники и использующих ее устройств различного назначения.

4. Результаты внедрений позволили обеспечить в стране надежные измерения названных параметров широкоапертурных высокоинтенсивных лазеров, в том числе и при длине волны 10,6 мкм, что имеет важное значение для создания, эксплуатации и развития различных лазерных систем, получающих все большее применение в разных областях науки и техники.