Седалищев В.Н. Методы и средства измерений неэлектрических величин
Подождите немного. Документ загружается.
Компактный спектрометр высокого разрешения
Технические характеристики устройства:
• Оптическая разрешающая способность 0.02 нм.
• Спектральная чувствительность 3648-элементного детектора на основе
ПЗС матрицы от 200 до 1100 нм.
• Возможность конфигурирования путем выбора необходимой решетки
и величины входной апертуры для различных приложений.
• Программно-изменяемое время интегрирования от 10 мкс для
измерений спектральных параметров скоротечных процессов,
например лазерных
импульсов, и для предотвращения насыщения при
высоких уровнях интенсивности.
• Программируемый контроллер обеспечивает гибкость управления
спектрометром и принадлежностями.
• Технология USB 2.0 для ввода спектра в память компьютера каждые 4
мс.
11. Методы и средства измерения акустических величин
Все нежелательные звуковые явления являются шумами. Техника
измерений основана на определении физических величин, характеризующих
звуковое поле: звуковое давление, звуковая мощность. Измерение
производят с использованием логарифмических координат.
Громкость звука оценивается с учетом свойств человеческого слуха,
является субъективной оценкой. Слышимость это – условная громкость
(пороговое значение).
Методы измерения и конструктивное исполнение устройств
определяются
видом звукового поля:
• плоское звуковое поле;
• точечный источник звука;
• линейный (многоточечный)
Используют следующие измерительные приборы:
• измерительные микрофоны (конденсаторные, пьезоэлектрические,
электромагнитные);
• шумомеры (измерительный микрофон в комплекте с усилителем,
фильтрами для отдельных частот (31,5; 63; 125; 250; 500; 1000; 2000;
4000; 8000 Гц), устройства записи и отображения сигналов.
Акустические датчики, работающие в слышимом диапазоне, называются
микрофонами.
Микрофоны характеризуются: чувствительностью, направленностью,
полосой частот, динамическим диапазоном, размерами, стоимостью и др.
Для работы в различных средах используют различные конструкции
датчиков. Например, для приема волн в воздухе и вибраций в твердых телах
применяют микрофоны, а для работы в жидкой среде – гидрофоны. Основное
отличие между ними заключается в том,
что последнему не приходится
измерять постоянное или медленно меняющееся давление. Его частотный
диапазон начинается с нескольких герц и заканчивается в районе гигагерц.
В состав таких датчиков входит диафрагма и преобразователь
перемещений, преобразующий входной сигнал в выходной электрический.
Некоторые типы датчиков могут включать в себя дополнительные элементы,
такие как звукопоглотители, фокусирующие
отражатели или линзы и т.п.
Рис. 11.1 Оптоволоконный интерферометрический микрофон.
Рис. 11.2 Пьезоэлектрический микрофон.
В настоящее время использование акустических датчиков гораздо шире,
чем просто детектирование звука. Наибольшей популярностью сейчас
пользуются устройства на поверхностных волнах (ПАВ), реализованные на
принципе детектирования механических вибраций в твердых телах.
Твердотельные преобразователи часто входят в состав более сложных
датчиков, например, химических анализаторов, акселерометров, датчиков
давления и т.п.
В химических
и биологических датчиках акустические каналы, по
которым распространяются механические волны, иногда покрываются
специальными составами, вступающими в реакцию только с исследуемым
веществом.
Рис. 11.3 Твердотельные акустические датчики:
А - мембранного типа с использованием волн Лэмба, Б - на ПАВ.
Гидрофон BC312
Гидрофон (от гидро... и греч. phone - звук) - гидроакустический
звукоприёмник.
Гидрофоны являются электроакустическими преобразователями и
применяются в гидроакустике для прослушивания подводных сигналов и
шумов, для измерительных целей, а также как составные элементы
направленных приёмных гидроакустических антенн
.
Наиболее распространены гидрофоны, основанные на
электродинамическом, пьезоэлектрическом и магнитострикционном
эффектах.
Электродинамические гидрофоны по принципу действия не отличаются
от воздушных электродинамических микрофонов, если не считать
особенностей конструкции, связанных с изоляцией от воды.
В пьезоэлектрических гидрофонах используется прямой пьезоэффект
некоторых кристаллов (сегнетова соль, кварц, дигидрофосфат аммония,
сульфат лития и т.д
.), при котором переменная деформация кристалла
вызывает появление переменных поверхностных электрических зарядов и
соответственно переменной электродвижущей силы на электродах-
обкладках. Широко пользуются пьезоэлектрическими керамическими
материалами (типа керамики титаната бария, титаната-цирконата свинца и
др.). Чувствительные элементы пьезоэлектрических гидрофонов
изготавливают в виде пакетов прямоугольной или цилиндрической формы.
Магнитострикционные гидрофоны основаны на
обратном
магнитострикционном эффекте некоторых ферромагнитных металлов (в
основном никеля и его сплавов), при котором деформация вызывает
появление переменной магнитной индукции в магнитопроводе и как
следствие - переменной ЭДС на обмотке. Чувствительные
элементы гидрофонов (сердечники) набираются, как правило, из тонких
пластин для избежания потерь на токи Фуко.
Гидрофоны, предназначенные для измерительных целей, должны быть
ненаправленными и обладать ровной частотной характеристикой во всей
области исследуемых частот. Для этой цели удобно пользоваться малыми по
сравнению с длиной волны полыми сферическими приёмниками из
пьезокерамики, совершающими
сферические симметричные колебания.
Одна из важнейших характеристик гидрофонов - чувствительность,
представляющая собой отношение электрического напряжения к звуковому
давлению в мкв/бар; она лежит в пределах от долей мкв/бар для малых
(диаметром в несколько мм) керамических сферических приёмников до сотен
мкв/бар для пакетов из пьезоэлектрических кристаллов. Для увеличения
чувствительности (а
также для устранения шунтирующего действия кабеля)
пользуются гидрофонами с предварительными усилителями, которые
монтируются в одном корпусе с приёмником и вместе опускаются в воду.
- Номинальная чувствительность - 0,25 мВ/Па
- Частотный диапазон - 20…7000 Гц
- Собственные шумы, СКЗ - < 2 мПа
- Амплитудный диапазон - 20 Па
- Взрывозащищенное исполнение
- Выходное сопротивление - <500 Ом
- Температурный диапазон - 0…+70 °С
- Питание стандарта ICP
- Напряжение питания - 30 В
- Ток питания - 3,0 мА
- Уровень постоянного напряжения на выходе - 12,5 В
- Масса (без кабеля) - 50 (без корпуса) г
- Гидрофон непосредственно может подключаться к анализаторам спектра
А17.
15. Методы и средства измерения параметров ионизирующего
излучения
Измеряют параметры поля и дозу облучения, т.е. характеризующие
источник и приемник излучения.
Для этих целей используют различные методы и средства измерений,
отличающиеся как механизму чувствительности, так и по физическим
свойствам чувствительного элемента:
• ионизационные камеры и пропорциональные счетчики;
• полупроводниковые детекторы;
• сцинтилляционные счетчики совместно с ФЭУ;
•
термолюминесцентные детекторы;
• радиолюминесцентные методы (под действием облучения изменяются
оптические свойства вещества);
• химическая дозиметрия (изменение валентности ионов) и др.
В технических, биологических, химических процессах широко применяется
метод меченых атомов.
Активационный анализ используют для исследования состава веществ.
Метод основан на бомбардировке веществ частицами, сопровождающихся
ядерными превращениями.
15.1 Датчики радиоактивного излучения
Принцип работы датчиков радиоактивного излучения определяется
способом взаимодействия исследуемых частиц с материалом самого датчика.
Существует следующие основные типы преобразователей радиоактивного
излучения: сцинтилляционные счетчики, газовые, жидкостные и
твердотельные (полупроводниковые) датчики.
В соответствии с принципом действия все датчики можно подразделить на
две группы: датчики столкновений и дозиметры.
Первые определяют наличие радиоактивных частиц
(контроль), вторые
измеряют мощность излучения (измерение).
Принцип работы датчиков основан на способности газов, жидкостей и
твердых тел генерировать электронно-дырочные или ионные пары при
воздействии на них ионизирующего излучения. После этого положительные
и отрицательные заряды при помощи электростатического поля отделяются
друг от друга и их количество измеряется. Одна радиоактивная частица с
большой энергией может создать несколько таких заряженных частиц.
15.2 Сцинтилляционные счетчики
Принцип действия этой группы датчиков основан на способности
некоторых материалов преобразовывать ядерное излучение в свет.
Первоначально такое устройство, использованное Резерфордом (1900 г.),
представляло собой экран, покрытый сульфидом цинка (ZnS). Вспышки
света, получаемые при бомбардировке экрана частицами, подсчитывались
вручную. Так как интенсивность получаемого светового сигнала невелика, то
в дальнейшем для его усиления стали
использовать фотоэлектронные
умножители (ФЭУ). В дальнейшем для использования в качестве
сцинтилляторов было разработано большое количество материалов,
характеризующихся более высокой чувствительностью, в которых
используются вторичные эффекты, например, термолюминесценция (с
дополнительным подогревом).
Для регистрации частиц с высокой энергией используют излучение
Черенкова (когда скорость частиц выше скорости света в среде происходит
поляризация материала
).
Сцинтилляционный материал должен обладать следующими свойствами:
• эффективно преобразовывать кинетическую энергию частиц в кванты
света;
• преобразование должно быть линейным;
• должно быть коротким послесвечение;
• коэффициент преломления материала должен быть таким же, как и у
стекла, что важно для конструктивного исполнения датчика.
Недостатком сцинтилляционных счетчиков является их низкое
разрешение по энергии излучения. Единственным методом повышения их
эффективности является использование дополнительных усилителей (ФЭУ).
Конструктивно ФЭУ состоит из ряда динодов, последовательно
включенных к высоковольтному источнику постоянного напряжения.
Первичный фотон сначала высвобождает электрон с поверхности катода,
затем ускоренный электрическим полем электрон выбивает с поверхности
динода несколько электронов и этот процесс повторяется
несколько раз, в
результате чего происходит лавинообразное нарастание фототока, который
собирается анодом.
ФЭУ изготавливаются с различными коэффициентами усиления и для
различных длин волн, поэтому характеризуются высокой чувствительностью,
линейностью, имеют широкую полосу частот и малый темновой ток. По
сравнению с полупроводниковыми приборами чувствительны к УФ
излучению.
Рис. 15.1 Сцинтилляционный преобразователь радиоактивного излучения с
фотоумножителем.
15.3 Ионизационные камеры
Такие устройства являются наиболее распространенными датчиками
ионизирующих излучений. Радиоактивные частицы при прохождении через
камеру вызывают ионизацию и возбуждение молекул газа. Для запуска
процесса ионизации частица должна обладать энергией превышающей
энергию ионизации. В присутствии электрического поля перемещение ионов
обусловливает протекание электрического
тока в цепи преобразователя.
Рис. 15.2 Схема ионизационной камеры (А), вольт-амперная характеристика
(Б) устройства.
15.4 Счетчики и регистраторы ионизирующего излучения
Был изобретен в 1928 году и до сих пор применяется очень широко, что
объясняется его простотой, низкой стоимостью и простотой эксплуатации.
Они отличаются от ионизационных камер использованием гораздо более
высокого напряжения возбуждения, обеспечивающего существенно
более
высокую чувствительность за счет реализации лавинного процесса усиления
сигнала. При этом создается большое количество вторичных ионов, а также
много молекул газа переходят в возбуждение состояние (нелинейный
режим). В течение нескольких наносекунд эти молекулы возвращаются в
свое исходное состояние, выпуская лишнюю энергию в виде УФ излучения.
Эти испущенные фотоны играют важную роль в цепных реакциях,
происходящих в счетчике. При поглощении фотонов поверхностью катода
или молекулами газа происходит высвобождение электронов, летящих
навстречу аноду, которые при этом запускают новые лавинные
процессы.
Быстрое распространение цепных реакций ведет к возникновению лавинных
процессов по всему объему трубки.
В камере Вильсона пересыщенный пар конденсируется на молекулах
воздуха, ионизированных по пути поглощения излучения. Нелинейность
процесса обусловлена реализацией фазового перехода – конденсацией пара.
Водородные пузырьковые камеры (1952 г.) содержат перегретый жидкий
водород в баках высокого давления
со стеклянным верхом. Вдоль пути
поглощения ионизирующего излучения образуются пузырьки водорода
(фазовый переход - испарение, кипение).
Наилучшей разрешающей способностью среди современных датчиков
радиационных излучений обладают твердотельные полупроводниковые
датчики (нелинейный материал). Основное достоинство полупроводниковых
детекторов заключается в очень малой величине энергии «ионизации» (на
порядок меньше чем при ионизации газа). Для этой
цели с 1960 годов
используют германиевые и кремниевые диоды (чувствительность у диода на
порядок выше, чем просто у полупроводника). Для повышения
чувствительности их также охлаждают до сверхнизких температур. В
последнее время разработан ряд преобразователей на базе теллуридов
кадмия, йодида ртути и др. Их большой атомный номер обеспечивает
высокочувствительную регистрацию ионизирующего излучения.
При эксплуатации полупроводниковых преобразователей необходимо
учитывать некоторые особенности: наличие зоны нечувствительности и
возможность радиационного повреждения устройства.
Детектирование нейтронов происходит не напрямую, а в результате
регистрации вторичных событий, сопровождающих ядерную реакцию
Рис. 15.3 Счетчик Гейгера и детектор с p – n переходом.
Для визуализации полей рентгеновского излучения в медицинских
приборах и аэрокосмической технике используют ПЗС - камеры. Их высокая
чувствительность (накопление заряда) позволяет существенно снизить дозу
облучения, получаемого пациентом, а маленькие размеры датчиков
расширяют область их использования.
Содержание:
1. Ионизирующее излучение
2. Методы обнаружения и измерения
3. Единицы измерения
4. Единицы радиоактивности
5. Единицы ионизирующих излучений
6. Дозиметрические величины
7. Приборы радиационной разведки и дозиметрического контроля
8. Бытовые дозиметры
9. Радиофобия
Ионизирующее излучение
Ионизирующее излучение – это любое излучение, взаимодействие которого со
средой приводит к образованию электрических зарядов разных знаков.
При ядерном взрыве, авариях на АЭС и других ядерных превращениях
появляются и действуют не видимые и не ощущаемые человеком излучения.
По своей природе ядерное излучение может быть электромагнитным, как
например, гамма-излучение
, или представлять поток быстро движущихся
элементарных частиц – нейтронов, протонов, бета и альфа-частиц. Любые
ядерные излучения, взаимодействуя с различными материалами, ионизируют
их атомы и молекулы. Ионизация среды тем сильнее, чем больше мощность
дозы проникающей радиации или радиоактивность излучения и длительное
их воздействие.
Действие ионизирующих излучений на людей и животных заключается
в
разрушении живых клеток организма, которое может привести к различной
степени заболеваниям, а в некоторых случаях и к смерти. Чтобы оценить