способ регистрации ультрафиолетового излучения и устройство для его осуществления

Формула изобретения

1. Способ регистрации ультрафиолетового излучения, заключающийся в том, что излучение от исследуемого объекта пропускают через оптическую систему, обеспечивающую пропускание излучения в заданном солнечно-слепом диапазоне и подавление волн другой длины, отличающийся тем, что обеспечивают регистрацию поступления отдельного фотона, определяют координаты его прихода и время прихода, на основе полученных координат определяют положение источника ультрафиолетового (УФ) излучения, измеряют амплитудно-временное изменение плотности потока излучаемой энергии, по которому определяют тип источника излучения.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что интервал пропускания УФ излучения находится в диапазоне 165-280 нм.

3. Способ по пп.1 и 2, отличающийся тем, что время-амплитудный анализ регистрируемого УФ-излучения осуществляют посредством монофотонного время-координатно-чувствительного детектора.

4. Способ по любому из пп.1-3, отличающийся тем, что тип источника излучения определяют путем математического анализа получаемых результатов, например, методом Фурье.

5. Устройство для регистрации ультрафиолетового излучения, содержащее оптическую систему, обеспечивающую пропускание ультрафиолетового излучения в заданном диапазоне длин волн, и систему детектирования, отличающееся тем, что в оптической системе для выделения нужного интервала ультрафиолетового излучения используют фильтрующий кристалл, обеспечивающий пропускание волн ультрафиолетового диапазона и подавление волн другой длины, и систему интерференционных фильтров ультрафиолетового излучения, а в качестве системы детектирования ультрафиолетового излучения используют монофотонный время-координатно-чувствительный детектор.

6. Устройство по п.5, отличающееся тем, что в качестве фильтрующего кристалла используют кристаллы солей Туттона, например монокристалл гексагидрата сульфата цезия-никеля.

7. Устройство по любому из пп.5 и 6, отличающееся тем, что в качестве интерференционных фильтров используют комбинацию диэлектрических зеркал.

Описание изобретения к патенту

Заявляемая группа изобретений относится к фотометрии, а более конкретно к способам и устройствам для регистрации ультрафиолетового излучения.

Существует много физических явлений, происходящих в природе и технике, при которых происходит излучение в ультрафиолетовом диапазоне длин волн, которое может характеризоваться сложными спектральными характеристиками распределения амплитудно-временного изменения плотности потока излучаемой энергии. Примерами таких явлений может служить коронный и дуговой разряды, возникающие в линиях электропередач, молнии, различные взрывные процессы, горение пламени и т.д. Электрические разряды возникают в высоковольтных электрических цепях при нарушении качества изоляции, загрязнении электрических изоляторов и нарушении технологии проведения монтажных работ. Наиболее распространенными видами электрических разрядов являются коронный и дуговые разряды. В настоящее время для инспекции линий электропередач получают широкое распространение детекторы (регистраторы) ультрафиолетового излучения, которые предназначены для обнаружения коронных разрядов на высоковольтном и низковольтном электрооборудовании при любой солнечной освещенности.

Известен способ регистрации ультрафиолетового излучения, заключающийся в том, что излучение от исследуемого объекта пропускают через оптическую систему, обеспечивающую прохождение излучения в заданном солнечно-слепом диапазоне и подавление волн другой длины (патент США № 6104297, "Corona discharge detection system", МПК G01J 1/04, опубликовано 15.08.2000).

Недостатком данного способа является то, что он функционирует на основе принципа выбивания ультрафиолетовым фотоном электрона (из фотокатода) с последующим усилением этих электронов посредством электронно-оптического преобразователя. В дальнейшем выбитые электроны вновь преобразуют в фотоны, которые регистрируют фотоприемным устройством (как правило, медленно работающим твердотельным прибором).

Другим существенным недостатком является то, что для высокоточного определения положения источника излучения необходимо пользоваться дополнительным устройством - лазером.

Задачей предлагаемого способа является обеспечение регистрации ультрафиолетового излучения в солнечно-слепом диапазоне с точным определением координат источника УФ-излучения без использования дополнительного устройства, а также увеличение динамического диапазона регистрации сигнала и определение амплитудно-временных характеристик регистрируемого сигнала в широком частотном диапазоне, дающих возможность определения типа источника сигнала. Другой задачей является расширение возможностей по определению типа источника дополнительной гиперспектральной селекции сигнала, а также дополнительное расширение возможностей анализа воздействия источника УФ-излучения на окружающую среду при помощи гиперспектрального анализа окрестности источника излучения.

Техническое решение задачи в предлагаемом способе достигается тем, что излучение от исследуемого объекта пропускают через оптическую систему, обеспечивающую прохождение излучения в заданном солнечно-слепом диапазоне и подавление волн другой длины. При этом обеспечивают регистрацию поступления отдельного фотона, определяют координаты его прихода и время прихода, проводят время-амплитудный анализ регистрируемого УФ-излучения, выделяют спектральные компоненты в амплитудно-временном изменении плотности потока излучаемой энергии и определяют тип источника излучения.

Заданный интервал пропускания ультрафиолетового излучения зависит от конкретной реализации и находится в диапазоне 165-280 нм. Время-амплитудный анализ регистрируемого ультрафиолетового излучения осуществляют посредством монофотонного время-координатно-чувствительного детектора (ВКЧД). Для определения типа источника излучения используют методы математического анализа полученных результатов измерения, например метод Фурье и др.

Известно устройство для регистрации ультрафиолетового излучения, содержащее оптическую систему, обеспечивающую пропускание ультрафиолетового излучения в заданном диапазоне волн, и детектирующую систему (патент США № 6104297 "Corona discharge detection system", МПК G01J 1/04, опубликовано 15.08.2000).

Недостатками данного устройства являются:

- невозможность осуществления амплитудно-временного анализа детектируемого излучения;

- невозможность анализа типа регистрируемого источника, поскольку в качестве детектирующего устройства применяется твердотельная фотоэлектрическая матрица;

- существенное ограничение допустимого динамического диапазона (следствие применения комбинации электронно-оптического преобразователя с твердотельной фотоэлектрической матрицей;

- невозможность селекции повреждений окружающей среды, вызванной действием УФ-излучения от артефактов, вызывающих появление Уф-излучения, но не свидетельствующих о повреждении (например, попадания на изолятор посторонних проводящих веществ - воды, загрязнений птицами и др.)

Задачей, которая может быть решена с помощью предлагаемого устройства, является преодоление указанных недостатков, а также значительное увеличение чувствительности устройства и, следовательно, увеличение дальности, на которой обнаруживается источник ультрафиолетового излучения. Кроме того, предлагаемое устройство обеспечивает создание возможности принятия решения о повреждениях в окружающей среде или о наличии артефактов, имитирующих такие повреждения.

Техническое решение задачи достигается тем, что в устройстве для регистрации ультрафиолетового излучения, содержащем оптическую систему, обеспечивающую пропускание ультрафиолетового излучения в заданном диапазоне волн, и систему детектирования, в оптической системе для выделения нужного интервала ультрафиолетового излучения используют фильтрующий кристалл, обеспечивающий пропускание волн ультрафиолетового диапазона и подавление волн другой длины, и систему интерференционных ультрафиолетовых фильтров. В качестве системы детектирования ультрафиолетового излучения применяют монофотонный время-координатно-чувствительный детектор.

В качестве кристаллов возможно применение кристаллов солей Туттона, например монокристалла гексагидрата сульфата цезия-никеля. В качестве интерференционных ультрафиолетовых фильтров возможно применение комбинации диэлектрических зеркал, обеспечивающих дополнительное подавление внеполосового излучения.

Сущность заявляемой группы изобретений поясняется чертежами.

На фиг.1 представлена схема устройства, работающего по предлагаемому способу.

На фиг.2 представлена принципиальная схема время-координатно-чувствительного детектора.

На фиг.3 представлено изображение среза электронной лавины на коллекторе.

Предлагаемый способ осуществляют в устройстве, описание которого и приводится ниже.

Устройство имеет оптическую систему, содержащую ультрафиолетовый (УФ) объектив 1, снабженный кристаллом 2, который обеспечивает пропускание волн УФ-диапазона и подавление волн другой длины. В качестве такого кристалла возможно применение кристаллов солей Туттона, например монокристалла гексагидрата сульфата цезия-никеля. За названным кристаллом размещены УФ-фильтры 3, например интерференционные ультрафиолетовые фильтры, в качестве которых возможно применение комбинации диэлектрических зеркал (например, диалектрические зеркала на основе перемежающихся тонких слоев окиси гафния и окиси кремния) и монофотонный время-координатно-чувствительный детектор (ВКЧД) 4. ВКЧД содержит фотокатод 5, сборку микроканальных пластин 6, систему корректирующих линз 7 и коллектор 8, за которым размещены аналоговые модули для регистрации сигналов. В состав устройства входит электронный блок 9, обеспечивающий функционирование устройства. Устройство применяется для регистрации излучения источника УФ-излучения 10.

Основным элементом устройства является ВКЧД, детальная схема которого приведена на фиг.2. ВКЧД содержит фотокатод 11, вход 12 первой сборки микроканальных пластин (МКП), выход 13 первой пластины МКП, вход 14 второй пластины МКП, выход 15 второй пластины МКП, промежуточные электроды 16, 17 и 18, а также коллектор 19. Коллектор имеет сложную конструкцию, например, в виде системы квадрантов или клинья-полосатую конструкцию, которая позволяет определить центр электронной лавины и тем самым найти координаты попадания фотона на поверхность фотокатода. Центр лавины считается координатой попадания фотона на фотокатод.

Предлагаемый способ реализуют в устройстве следующим образом. Фотоны от источника 10 попадают в оптическую систему, которая пропускает фотоны выбранного диапазона УФ-излучения и подавляет излучение всех остальных длин волн. Коэффициент подавления фотонов с длинами волн, отличными от выбранного диапазона УФ-излучения (например, 260-280 нм), может достигать 10^-16. Благодаря оптической системе обеспечивается солнечно-слепой режим регистрации УФ-излучения, что позволяет эксплуатировать устройство в условиях интенсивного солнечного излучения, попадающего непосредственно в объектив. Прошедший через оптическую систему фотон УФ-излучения попадает на фотокатод 11 ВКЧД 4 и выбивает из фотокатода фотоэлектрон. Последний поступает на вход 12 первой пластины сборки из микроканальных пластин (МКП), где на основе электронной лавины происходит размножение электронов. За выходом 15 второй пластины 14 МКП лавина электронов проходит систему промежуточных электродов 16, 17, 18 и попадает на коллектор 19. Коллектор имеет конструкцию, которая позволяет определить центр электронной лавины и тем самым найти координаты попадания фотона на поверхность фотокатода. Время прихода фотона на ВКЧД с точностью 1 нc и лучше может определяться несколькими путями, например регистрацией сигнала с выхода второй МКП или с помощью сигнала со специальной сетки, расположенной после второй МКП и т.п. Математическая обработка, учитывающая форму сигнала с МКП (учет влияния изменения формы сигнала), позволяет определить время прихода фотона с точностью порядка 1 нc и лучше. Так как возможно искажение электронной лавины, достигающей коллектор (особенно на краях коллектора, несмотря на наличие корректирующих электродов), то, как правило, должна производиться калибровка по измерению координат известного по положению источника и на основе этой калибровки проведение коррекции измеренных координат прихода фотонов.

На фиг.3 показан срез электронной лавины, образованной фотоном, попавшим на фотокатод и выбившим электрон. Лавина образована в результате работы МКП. Перекрестием на фиг.3 показан центр лавины, который найден по соотношению частей лавины, попавшей на различные части коллектора.

Электронный блок 9 обеспечивает управление работой ВКЧД, обработку сигналов с коллектора, проведение исправлений координат согласно заранее проведенным калибровочным измерениям. Электронный блок также обеспечивает хранение координат и время прихода фотонов. Названный блок имеет специальный разъем, позволяющий подключать персональную ЭВМ для более сложной обработки данных, полученных устройством (в мобильном варианте устройство может комплектоваться автономным источником питания и процессором обработки данных в режиме реального времени).

Встроенный процессор или персональная ЭВМ производит определение координат источника УФ-С-излучения, проводит временной анализ амплитудно-временных характеристик сигнала с целью определения типа источника излучения.

Применение ВКЧД в предлагаемом устройстве обеспечивает расширение функциональных возможностей: определение координаты (угла) прихода каждого зарегистрированного фотона (статистическая обработка данных позволяет определять координаты источника с высокой точностью, превышающей точность 1 мрад, аннотированной в прототипе); проведение временного анализа на основе измерения амплитудно-временных характеристик (за счет малой временной постоянной на уровне ниже 1 нc) для выделения частотных компонент в амплитудно-временном изменении плотности потока излучаемой энергии; возможность определения типа источника излучения (что невозможно в устройстве, принятом за прототип). Промышленная применимость устройства подтверждена испытаниями устройства для обнаружения дефектов на подстанциях РАО ЕЭС России.

При размещении перед ВКЧД диспергирующего элемента (клин, дифракционная решетка, акустооптический фильтр и др.) возникает возможность дополнительно к координатной информации о положении источника УФ-излучения проведения его спектрального анализа, что позволяет дополнительно определять тип источника по спектральному составу его излучения

Координаты найденного источника УФ, излучения можно использовать в качестве указания для наведения в область его расположения дополнительного гиперспектрометра, расположенного рядом с предлагаемым устройством. Гиперспектрометр обеспечивает проведение гиперспектрального анализа местности, окружающей источник, и построение видеоизображения с градациями химического состава местности (гиперспектрометрия является фактически дистанционным химическим анализом). Это обеспечивает возможность выявления последствий воздействия УФ-излучения на окружающую среду и позволяет проводить селекцию такого воздействия от артефактов. Например, при обнаружении коронного разряда на изоляторе линии электропередач проведение гиперспектрального анализа позволит определить степень разрушения изолятора. В то же время определение с помощью гиперспектрометра наличия влаги на поверхности изолятора или наличие на его поверхности загрязнений от птиц позволяет избавиться от артефактов, связанных с погодными условиями или факторами, прямо не связанными с разрушением изоляторов.

В настоящее время наличие артефактов является главным недостатком метода поиска неисправностей изоляторов на линиях электропередач. Использование обычного видеоизображения может оказаться не достаточным для их устранения. Гиперспектрометрия и время-частотный анализ расширяют возможности классификации типов источников и устранения артефактов.