Radiometre etalon
Radiometria este stiinta si tehnologia masurarii energiei electromagnetice radiante [41]. Exista actualmente 5 metode remarcabile de realizare a scarii de putere in domeniul optic:
1) radiatia corpului negru;
2) radiatia sincrotron(ica
3) fotodiode semiconductoare cu auto-calibrare;
4)numaratoarea de fotoni obtinuti prin procedee neliniare;
5) radiometre cu substitutie electrica
Dintre acestea, primele doua se bazeaza pe surse de radiatie, iar urmatoarele 3 - pe detectori.
Radiatia corpului negru este bine studiata in fizica si dispune de realizari tehnologice remarcabile. Acest subiect constituie subiectul multor lucrari si nu va fi tratat aici.
Radiatia sincroton(ica) este emisa de electroni accelerati intr-un unghi solid ingust, pe directia miscarii. Distributia spectrala si iradianta ei pot fi bine obtinute teoretic. Aceasta metoda este un "candidat" serios pentru realizarea scarii radiometrice in UV si regiunea radiatiilor X "moi", unde alte metode sint dificil de aplicat.
Fotodioda semiconductoare cu auto-calibrare a fost tratata in sub-capitolul 2.2. Fenomenul de imbatrinire, impurificarea (murdarirea) suprafetei ferestrei (sau a plachetei semiconductoare, in cazul celor fara fereastra) si nelinearitatea raspunsului la nivele mari de putere optica fac insa inadecvata utilizarea acestor fotodiode ca standarde (etaloane) primare de receptie. Asa cum se va arata ulterior (chiar in acest sub-capitol), fotodiodele cu auto-calibrare, montate in asa-numitii detectori tip "capcana" ("trap detectors") sau independente, sint utilizate actualmente cu succes ca standarde de transfer.
Numaratoarea de fotoni obtinuti prin procedee neliniare reprezinta cel mai nou "candidat" pentru realizarea scarii radiometrice. Se bazeaza pe generarea de catre un fascicol coerent incident pe un cristal nelinear a doua fascicole coerente, in anumite conditii. Acest cimp bi-fotonic pote fi folosit pentru determinarea randamentului cuantic extern al unui detector fara a dispune de nici o referinta sau standard (etalon)
Cele mai utilizate radiometre absolute actuale cu substitutie electrica sint radiometrele criogenice, ele fiind utilizate ca standarde primare de masurare a puterii optice in laboratoarele de specialitate cu prestigiu din lume (ex.: National Institute of Standards and Technology NIST - SUA, Institut National de Métrologie INM - Paris, National Physical Laboratory NPL - Anglia, Physikalisch-Technische Bundesanstalt PTB - Germania, Swedish National Testing and Research Institute SP - Suedia, Helsinki Univ. of Technology HUT - Finlanda, Istituto Electrotecnico Nazionale IEN "Galileo Ferraris" - Torino).
Numarul lucrarilor referitoare la acestea este mare, citeva dintre cele importante fiind [25], [43]-[50].
Primul asemenea radiometru a fost pus la punct de Martin si altii in 1985 [43]. Constau, in esenta, in detectori cu calibrare prin substitutie electrica (aind ca senzori termometre cu rezistenta din Ge), cu cavitati puternic absorbante incalzite electric si puse in contact termic cu o "baie" de He lichid. O buna justificare si explicatii concise referitoare la acest procedeu sint expuse in [25], [44]. Explicatii detaliate referitoare la radiometrul criogenic al HUT sint prezentate in [50].
Punctul "cheie" al metodei utilizate in aceste radiometre cu substitutie electrica este racirea la ~ 5 K a detectorului, in locul utilizarii lui la temperatura ambianta. Efectul final al racirii este incertitudinea de masurare a acestor radiometre, de ordinul 10-4 (1s), adica de 10 ori mai buna decit a celor mai performante radiometre cu substitutie electica ce functioneaza la temperatura camerei (nu este vorba de cele comerciale, ci de exemplare "profesionale", manufacturate in laboratoare prestigioase de metrologie optica
La temperaturile joase mentionate, caldura specifica a materialelor din care sint confectionate cavitatile absorbante ale detectorilor (in general Cu) scade foarte puternic, iar conductivitatea termica creste, de asemenea puternic. Aceste variatii se traduc printr-o crestere a difuzivitatii termice de aprox. 104 ori fata de valoarea la temperatura ambianta. In aceste conditii este posibila marirea considerabila a masei cavitatii (impusa de lungirea ei, ca sa-i creasca absorbtia totala), cu mentinerea unei constante de timp termice de valoare mica si minimizarea problemelor legate de transferul caldurii generate de incalzirea optica si de cea electrica (de substitutie), pentru a obtine o cit mai buna echivalenta intre cele doua (factor de echivalenta 1). Un alt "beneficiu" al racirii criogenice este posibilitatea utilizarii unor fire supraconductoare de legatura la rezistenta (rezistentele) de incalzire a detectorului, ceea ce permite o mult mai precisa masurare a puterii electrice "injectate" (prin utilizarea bine-cunoscutei metode a celor 4 fire pentru masurarea tensiunii pe incalzitor si a unui "traductor" de curent realizat cu o rezistenta serie termostatata la o temperatura cu citiva K mai mare decit a He lichid, pentru a-i mentine valoarea stabila
In functie de producator, radiometrele criogenice au configuratii usor diferite tehnic (cele de la SP si PTB sint realizate de Cambrige Research & Instrumentation Inc., fara a fi insa identice; cele de la NIST, INM, HUT sint realizate in tarile respective). De exemplu, detectorii cu cavitate absorbanta, rezistente de incalzire si termometre cu Ge pot avea configuratia din fig. 16 (radiometrul criogenic Laserad al INM) sau 17 (radiometrul criogenic HACR al NIST si cel al HUT; "HACR"="High Accuracy Cryogenic Radiometer").
In fig. 16, 17: 1 = fascicol laser;
2 = cavitate absorbanta cilindrica
3 = perete de "fund" inclinat (in general la 30o fata de axa cavitatii);
4 = rezistente de incalzire bobinate (din care se foloseste una) - fig.16 cu cele 4 fire - 2 pt. alimentare +2 pt. masurarea tensiunii;
5 = piesa de "conectare" termica la radiator (ex.: otel inox);
6 = radiator in contact cu He lichid;
7 = termometru cu rezistenta de Ge.
Numai in fig. 17, 4 = rezistenta de incalzire depusa sub forma de film pe spatele peretelui de "fund" inclinat - solutie aleasa pentru mai buna echivalenta intre incalzirea optica si cea electrica (de substitutie), datorata proximitatii geometrice intre zonele de receptie a energiilor generate de cele doua surse.
Fig. 16. Un tip de detector cu substitutie electrica utilizat in radiometre criogenice
Fig. 17. Acelasi dispozitiv ca in fig. 16, dar utilizat in alte tipuri de radiometre criogenice
Cavitatile sint vopsite pe dinauntru cu vopsele speciale negre mate, cu coeficienti foarte buni de absorbtie. Valorile globale ale coeficientilor mentionati pentru aceste cavitati ating 0,99998 (se remarca similitudinea cu valoarea obtinuta in exemplul referitor la cavitatea tip "unghi diedru" a detectorilor piroelectrici din sub-cap. 2.2). Peretele inclinat "de fund" al cavitatilor are, el singur, coeficientul de absorbtie .
In fig. 16 se remarca cele doua incalzitoare electrice, dintre care se foloseste numai unul (cel mai apropiat de "fundul" cavitatii). Prezenta a doua incalzitoare se datoreaza incercarilor facute de cercetatorii francezi asupra influentei locului unde este plasat incalzitorul activ asupra echivalentei intre incalzirea optica si cea electrica. Un asemenea incalzitor bobinat au avut initial si cercetatorii finlandezi de la HUT, dar au renuntat la el in favoarea celui cu film rezistiv din fig. 17 (cel vechi nu mai apare).
Dimensiunile cavitatilor sint de ordinul: 130 mm lungime, 20 mm diametru exterior, 9,5 mm diametrul aperturii de intrare (5 mm pt. Laserad - INM), 0,4 mm grosimea peretelui (valorile corespund radiometrului de la HUT).
Alte diferente notabile intre diverse radiometre criogenice constau in solutia aleasa pentru asa-numita "capcana de radiatie" ce impiedica ajungerea radiatiei termice la detector (mai ales cea provenita de la fereastra de intrare in radiometru) si a radiatiei parazite ("stray light" - datorata mai ales reflexiilor multiple care au totusi loc in fereastra): unele au simple diafragme pe "traseul" fascicolului (caci radiatia termica si cea parazita nu sint bine "confinate") - solutie mai veche, altele au o cavitate cilindrica mai mare, vopsita cu negru, in contact cu He lichid, care "contine" coaxial cavitatea detectorului. Unele asemenea radiometre au cavitatea detectorului si, implicit, fereastra de intrare, ortogonale pe axa rezervorului de He lichid (fereastra laterala - ex.: Laserad - INM), altele au structura complet coaxiala, cu fereastra de intrare la baza (ex.: HACR - NIST, cel de la HUT), care necesita insa o oglinda de "deviere" a fascicolului laser de la orizontala (pozitia laserului) la verticala (pozitia radiometrului). Unele (foarte complexe) au pre-racire cu azot lichid, care "imbraca" rezervorul de He lichid (HACR de la NIST).
Ca elemente comune amintim: "traseul" fascicolului optic fiind lung pina la detector, aceste radiometre masoara puterea numai pentru fascicole laser (datorita "confinarii" lor, greu de obtinut pentru surse clasice); vidarea acestui "traseu" (pina la 0,001 Pa pentru cel de la HUT); fereastra de intrare din Si plasata la unghi Brewster, care duce la coeficient de transmisie 1 pentru fascicole convenabil polarizate.
Electronica de control a acestor radiometre este complexa Tintirea" cavitatii detectorului de catre fascicolul laser (dificila datorita "traseului" lung, de ordinul 1m) este realizata in unele cazuri cu ajutorul mai multor fotodetectori cu Si in cuadratura ("quadrant"), plasati de-a lungul "traseului". Cavitatea detectorului este termostatata electronic la o temperatura determinata de incalzirea optica si de cea electrica, cind sint simultan prezente. Pentru a mentine aceasta temperatura si in absenta fascicolului laser (care este periodic obturat, lucru permis de constanta de timp termica nu prea mare a detectorului criogenic - de ordinul 10 s), este necesar un plus de putere electrica, echivalent cu puterea fascicolului. Acest "plus" de putere electrica este masurat cu mare precizie de un voltmetru digital de foarte buna calitate, iar datele sint acumulate pe un calculator, care controleaza tot sistemul. Programul de control si calcul a puterii fascicolului laser elimina derivele lente ale valorilor, indiferent de cauzele lor (ex.: la HUT).
Tinind seama ca acest tip de radiometru este destinat masuratorilor absolute, extrem de precise (cele mai precise la ora actuala) ale puterii optice, fiecare "sesiune" de lucru este precedata de operatii extrem de complexe de calibrare a fiecarei componente a sistemului, in cursul carora este determinata (prin repetarea fiecarei operatii) si incertitudinea asociata fiecarui parametru utilizat ulterior in calcule. Cu ajutorul acestor incertitudini "individuale" (in general de ordinul 10-5) se obtine incertitudinea totala (combinata) de calibrare a radiometrului criogenic (de ordinul 10-4) [51] (procedeu de calcul utilizat in toate articolele din bibliografie in care se determina incertitudini combinate). Componentele care contribuie la incertitudinea (combinata) globala sint: "fizice" - oglinda de "deviere" a fascicolului laser (in cazul radiometrelor criogenice cu fereastra de intrare verticala, la baza) - prin coeficientii de reflexie la l utilizate, fereastra de intrare - prin coeficientii de transmisie la l utilizate, cavitatea absorbanta a detectorului - prin coeficientii de absorbtie totali la l utilizate, termometrul cu Ge - prin sensibilitate (se calibreaza la puctul de fierbere al He lichid, la presiune constanta), echivalenta intre incalzirea optica si electrica (de substitutie); "electronice": voltmetrul digital utilizat pentru masurarea puterii disipate de incalzitor (se calibreaza prin comparatie cu standardele nationale de tensiune si curent), traductorul de curent - prin valoarea rezistentei si zgomot, amplificatoarele utilizate - prin amplificare si zgomot. Mai trebuie inclusa in calcul si stabilitatea in putere si l a laserilor utilizati ca surse-etalon. Sint utilizati laseri stabilizati intern in l/putere sau extern in putere (de ex. cu HeNe in rosu si verde la HUT sau chiar o dioda laser cu l=1550 nm la INM).
Pentru ca diversele derive ce survin in timpul operatiilor de calibrare preliminare sau al unei masuratori propriu-zise sa fie lente, putind fi eliminate de algoritmul de calcul, laboratoarele dotate cu radiometre criogenice sint climatizate, temperatura putind varia in limite restrinse (ex.: 1oC la HUT). Instalatiile de climatizare sint dotate si cu filtre de praf (care ar mari incertitudinile legate de toate componentele plasate pe "traseul" fascicolului laser exterior radiometrului).
Cu toata perfectiunea lor, radiometrele criogenice sint imposibil sau foarte greu utilizabile ca standarde primare (absolute) pentru utilizatori curenti de laseri din industrie, medicina si chiar cercetare, pentru ca puterile maxime masurabile sint foarte mici: sute mW-1,2 mW [53] (in functie de tipul radiometrului). Este adevarat ca etalonarea unor radiometre de uz curent (de care dispun utilizatorii de laseri mentionati) se face nu direct prin comparatie cu radiometre criogenice, ci prin intermediul unui sir destul de lung de standarde secundare, de transfer [47], de lucru, etc., dar "adaptarea" intre sute mW-1,2 mW ("permis" de radiometrul criogenic) si W (cercetare)-zeci W (medicina, industrie)-sute W, kW (industie) se poate face numai prin intermediul unui lung sir de atenuari, fiecare introducind incertitudini ce cresc cu valoarea atenuarii/puterii, putind duce la incertitudini de calibrare (combinate) globale mari, sau facind apel la alte tipuri de standarde primare, pentru puteri mai mari, construite pe alte principii fizice sau tehnice decit cele criogenice. Nu este intimplatoare absenta totala (dupa cunostintele autorului lucrarii) a unor articole din literatura de profil care sa faca vreo referire la calibrarea unor radiometre de uz curent (pentru puteri max. > >1mW), pornind de la un radiometru criogenic. Si incercarile autorului lucrarii de a stabili colaborari cu laboratoarele de Metrologie Optica Primara ale NPL (Anglia), HUT (Finlanda) si INM (Franta), care dispun de radiometre criogenice, in aproape 3 ani de corespondenta, s-au lovit de neputinta sefilor acestor laboratoare, legata de "discrepanta" intre puterile masurabile acolo si puterea maxima (30 W) a unui powermetru cu calibrare prin substitutie electrica, realizat de acesta la Departamentul de Fizica al UPB - LRRL (care va fi prezentat in cap. 4). Numai la Paris, seful laboratorului de Metrologie Optica Primara al INM (unde se pot masura actualmente puteri de max. 2 mW cu radiometrul criogenic [52]) a incercat propunerea inceperii unei colaborari intre BNM-LNE - un laborator (tot de la Paris) care poate masura puteri pina la 50 kW si Departamentul de Fizica al UPB, din pacate fara succes. Tinind seama de "fractura" dintre nivelele de putere de interes la Departamentul de Fizica al UPB - LRRL (zeci W, sute W in perspectiva), dictate de necesitati practice si cele posibil masurabile in laboratoare dotate cu radiometre criogenice, este clara inutilitatea incercarilor de colaborare cu asemenea laboratoare, devenind insa necesare "tentativele" de a gasi laboratoare ce lucreaza cu puteri mai mari.
Termopila cu absorbtie de suprafata a fost pusa la punct in 1971 de Mefferd si altii [9], devenind intre timp un veritabil succes, datorita avantajelor pe care le prezinta fata de alte tipuri de detectori termici:
- posibilitatea calibrarii prin substitutie electrica (auto-calibrare - se va explica ce inseamna
- responsivitate buna, ceea ce duce la elecronica de masura mai simpla
- linearitate buna
- timp mic de raspuns ( de ordinul secundelor in cazul termopilelor pentru puteri laser in gama 10 - 100 W), care, lucru important, poate fi 'scurtat' electronic;
- arie utila mai mare si independenta masuratorii de pozitia spotului laser pe aceasta arie si de dimensiunile lui (o buna uniformitate a ariei active), adica usurinta utilizarii.
Consta [7], [10], [11] dintr-un radiator termic racit cu aer prin convectie (cu aripioare), fortat (cu ventilator) sau cu apa (cavitate prin care curge), in care se afla montat, cu contact termic bun, un disc realizat dintr-un material bun conductor termic (cel mai frecvent Al) pe fata caruia 'cade' radiatia laser, pe dos fiind depuse intr-o geometrie speciala mai multe perechi de termocuple inseriate, reprezentate in fig. 4.
Perechile de termocuple sint dispuse alternativ in forma de coroana dintata pe un strat izolator de oxid de aluminiu, obtinut prin anodizare. Termocuplele sint inseriate alternativ, unul pe cercul interior, altul pe cel exterior (de aici geometria de coroana dintata), formind o baterie. Cele doua termocuple sint realizate cel mai frecvent din Bi si Sb (mai nou, din Si si alti semiconductori) . Ele sint mai detaliat reprezentate in fig. 5.
Fig. 4. Structura bateriei de termocuple a unei termopile
Fig. 5. O pereche de termocuple a unei termopile
Radiatorul joaca, pentru periferia discului, rol de termostat, mentinindu-i temperatura constanta (temperatura aerului sau a apei de racire). Caldura rezultata prin absorbtia radiatiei laser in zona centrala (zona utila) a discului se propaga radial spre periferia sa, aparind astfel un gradient de temperatura, conform legii propagarii caldurii:
F = - k gradT (3)
unde F = fluxul de caldura si k = conductivitatea termica
F este Plaser "corectata" (multiplicativ) cu eficienta absorbtiei si cu pierderile prin re-radiatie (a caldurii), convectie, etc., adica
P = ke DT (4)
unde ke = constanta de etalonare, iar DT = diferenta de temperatura intre cercul interior si cel exterior pe care sint plasate termocuplele.
Cum termocuplele de pe cercul interior sint dispuse in opozitie fata de cele de pe cercul exterior, tensiunea totala generata de termopila este:
U = n(Ui - Ue) = nkt(Ti - Te) = nktDT (5)
unde n = numarul perechilor de termocuple si kt = constanta unui termocuplu.
Din (4) si (5) rezulta
(6)
unde b = responsivitatea termopilei. Se remarca independenta raspunsului de temperatura ambianta (cu conditia ca radiatorul sa fie un bun termostat, adica Te = constant).
Simetria circulara a bateriei de termocuple face raspunsul independent de plasarea spotului laser pe aria utila si de extinderea lui, caci fiecare pereche de termocuple masoara fluxuri partiale de caldura care pot fi inegale, dar inserierea lor face ca tensiunea totala sa fie proportionala cu fluxul total de caldura, indiferent de distributia lui
Linearitatea termopilei depinde de doua clase de fenomene (asupra carora se poate actiona eficient), ambele depinzind direct de temperatura discului, comentate in continuare.
Bateria de termocuple are rezistenta interna (schema echivalenta contine un generator de tensiune si aceasta rezistenta), care variaza cu temperatura. In cazul powermetrelor mai vechi (ex.: Coherent Radiation Model 201), rezistenta de intrare in unitatea de afisare (deci rezistenta pe care este 'citita' tensiunea utila) nefiind foarte mare, apare o divizare in care una din rezistente nu este constanta (rezistenta interna a termocuplelor), fiind necesar un termistor cu un anumit coeficient de temperatura pentru corectie. Problema poate fi rezolvata simplu (termistorul devenind astfel inutil): rezistenta de intrare in unitatea de afisare (care mai departe va fi numita "monitor") poate fi facuta foarte mare (prin selectarea unei anumite scheme), astfel incit termopila este practic "citita" in gol, variatia cu temperatura a rezistentei sale interne nemaiavind nici o importanta (solutia autorului, utilizata cu succes in realizarea unui powermetru digital pentru laseri, cu termopila, descris detaliat in cap. 4).
In general, fractia din caldura totala care se pierde prin re-radiatie si convectie creste odata cu cresterea diferentei de temperatura intre absorbant si radiator. Pe de alta parte, coeficientul de temperatura al tensiunii generate de termocuple este pozitiv, compensind efectul pierderilor daca temperatura discului nu depaseste 100-200oC (depinzind de constructia termopilei). Acest lucru poate fi asigurat de o buna racire (cu aer - naturala, fortata cu ventilator sau cu apa, daca cea cu aer naturala nu satisface). Pentru modelele cu racire naturala cu aer (prin convectie, cu radiator), durata expunerii la puteri relativ apropiate de cea maxima trebuie limitata
De asemenea, coeficientul de absorbtie se pastreaza cu buna aproximatie indiferent de temperatura discului atita timp cit pe suprafata lui nu apar distrugeri (arsuri) datorate depasirii iradiantei maxime (admise). In cazul puterilor mari (kW), cind si iradianta este mare (prea mare pentru termopilele cu absorbtie de suprafata), se folosesc termopile cu absorbtie in volum. Asemenea termopile se utilizeaza nu numai pentru masurarea puterilor mari cw, ci si pentru masurarea energiilor mari ale pulsurilor laser, care au densitati mari ale puterii de virf (din pacate insa, la frecvente de repetitie mici, ca sa se poata raci absorbantul: un puls la intervale de timp putind depasi 10 s).
Avantajul major al termopilei consta in posibilitatea de a face nu numai masuratori relative (ce implica recalibrari periodice cu ajutorul unei surse standard de radiatie - lampi cu incandescenta sau laseri stabilizati in putere), ci si masuratori absolute, prin substitutie electrica [7]. Caldura generata de fascicolul laser este comparata cu caldura generata electric, prin efect Joule, de catre o rezistenta aflata in contact termic bun cu discul absorbant (plasata pe spatele acestuia), puterea disipata de aceasta putind fi precis masurata electric (mult mai precis decit direct puterea optica). In cazul unor powermetre cu microprocesor, se face asa-numita 'calibrare interna (auto-calibrare) la punerea in functiune a aparatului, prin alimentarea rezistentei cu un curent constant, timp de citeva constante de timp termice (pentru a permite stabilizarea regimului termic) si, cunoscind constanta multiplicativa ce leaga Plaser de Pelectrica, adica 'echivalenta' intre ele, presupusa constanta in timp, se calculeaza responsivitatea termopilei (ca Ugenerat /Pel, ambele fiind masurate de microprocesor), care se utilizeaza apoi in masurarea Plaser. O modalitate mai simpla de calibrare prin substitutie electrica, dar utilizata actualmente de firme cu renume, chiar in aparate cu microprocesor, este calibrarea externa, care se face manual de catre utilizator, periodic: se "injecteaza" in rezistenta de incalzire a termopilei o Pel care se masoara cu mare precizie si se regleaza un potentiometru semireglabil de calibrare, pina cind monitorul afiseaza o valoare = kPel (k = factorul de "echivalenta" intre Pel si Plaser) [13].
Conditia esentiala ca metodele descrise sa constituie o calibrare prin substitutie electrica reala este ca echivalenta intre incalzirea laser si cea electrica sa se pastreze riguros constanta in timp, in caz contrar (care in practica laboratoarelor de laseri are loc nu rareori) radiometrele cu o asemenea facilitate, care le face mult mai scumpe si mai complicate electronic in cazul celor cu auto-calibrare, sa necesite recalibrare periodica intr-un laborator de metrologia radiatiei laser, la fel ca si cele comune (fara calibrare prin substitutie) . Tocmai datorita faptului ca s-a ajuns la o deriva in timp extrem de mica a echivalentei intre incalzirea laser si cea electrica (k ct.), firme cu prestigiu (ex.: Laser Probe - SUA) au renuntat la auto-calibrare (care se efectueaza automat la fiecare punere in functiune), optind pentru calibrarea manuala externa periodica, simplificind astfel chiar aparate pretentioase (ex.: radiometrul universal cu doua canale Rm-6600). Exista firme, tot cu prestigiu in domeniu, care nu produc termopile cu calibrare prin substitutie electrica, invocind ca principala deficienta a acestora tocmai posibila deriva in timp a echivalentei intre incalzirea laser si cea electrica
Trebuie mentionat ca termopilele pentru puteri mari (kW) nu sint prevazute cu posibilitatea calibrarii prin substitutie electrica, deoarece este dificil tehnologic sa se genereze puteri electrice mari, intr-un spatiu restrins si fara complicatii tehnologice (de exemplu, adezivii cu care sint lipite rezistentele electrice de incalzire pe spatele discurilor nu rezista la temperaturi mari).
In opinia autorului, radiometrele cu calibrare prin substitutie isi au locul in laboratoarele metrologice, caci in cele obisnuite pot apare, de exemplu, mici arsuri pe suprafata discului absorbant, datorate unor depasiri accidentale ale iradiantei maxime. De asemenea, stapinirea unei tehnologii bune de innegrire a discului, care sa duca la un coeficient de absorbtie a radiatiei constant in timp, fara efecte de 'imbatrinire' conditioneaza toate tentativele de a construi orice detector de tip termic cu calibrare prin substitutie electrica - din pacate, nu este cazul la noi, tehnologiile de anodizare fiind modeste (atit la Bucuresti, cit si la ITIM Cluj, unde s-au efectuat incercari nereusite de ameliorare). De exemplu, eloxarea neagra a aluminiului 'vireaza' in timp catre cafeniu inchis cu reflexe rosietice, afectind coeficientul de absorbtie si caracteristica spectrala a discului (autorul a lucrat cu termopile de 10 si 100 W produse la IFTAR Bucuresti [7], [15]-[20]; citiva parametri ai acestora vor fi specificati in cap. 4).
Merita mentionat ca termopila cu calibrare prin substitutie electrica este utilizata ca un detector de precizie atit in radiometre comerciale, cit si in radiometre criogenice, care constituie la ora actuala etaloanele primare in laboratoarele importante de radiometrie/fotometrie din lume (exemple vor fi date in sub-capitolul 3.1). Prima firma care a oferit radiometre termice comerciale cu calibrare prin substitutie electrica a fost Scientech (SUA), in 1970 (la numai doi ani de la fondare).
Principiul de functionare, calitatile si avantajele acestui tip de detector termic au fost anterior descrise pe larg (sub-capitolul 2.2).
Prima versiune a aparatului a fost echipata, asa cum s-a amintit, cu o termopila racita natural cu aer (radiator) produsa la Institutul de Fizica si Tehnologia Aparatelor cu Radiatii din Bucuresti - sectia Laseri. A fost incercat si un model de 10W, de aceeasi provenienta, dar ambele modele ("copiate" dupa termopila unui powermetru analogic american Coherent Radiation model 201) s-au dovedit de slaba calitate. Aceste termopile [11] erau compuse dintr-un radiator termic in care se afla montat, cu contact termic bun (asigurat de o garnitura de indiu), un disc de Al cu diametrul de 45 mm pe fata caruia 'cade' radiatia laser, pe dos fiind dispuse 27 perechi de termocuple din aur-bismut, inseriate, intr-o geometrie de "coroana dintata" cu diametrul interior de 20 mm si cel exterior de 36 mm. Termocuplele sint depuse prin evaporare in vid, cu ajutorul unor masti corespunzatoare, dupa anodizarea discului. Ele sint reprezentate in fig. 4 si 5 (sub-capitolul 2.2). Pe fata discului, in zona de absorbtie a radiatiei laser - zona centrala cu diametrul de 16 mm - sint taiate canale concentrice de sectiune triunghiulara care au ca scop pe de o parte sa mareasca suprafata efectiva de absorbtie, iar pe de alta sa dirijeze reflexiile de pe o fata a canalului pe cealalta, marind astfel eficienta absorbtiei. Un asemenea canal cu sectiune triunghiulara are, din punctul de vedere al absorbtiei, comportamentul cavitatii de tip "unghi diedru", descris in sub-capitolul 2.2. Zona de absorbtie era vopsita (dupa anodizarea discului) cu o vopsea speciala neagra-mata Discul este reprezentat din fata si in sectiune in fig. 21.
Fig. 21. Discul termopilelor IFTAR de 10 W si 100 W vazut din fata si in sectiune
|
