Πέμπτη, 1 Σεπτεμβρίου 2016

Συστήματα Ανίχνευσης της Θερμικής Ακτινοβολίας

Η ανίχνευση της ΗΜ ακτινοβολίας, στις περιοχές του μακρού υπερύθρου (FIR) και του υπερύθρου (IR), επιτυγχάνεται με καλοριμετρικές τεχνικές, σε αντίθεση με άλλες τεχνικές, π.χ. φωτοηλεκτρική ή φωτοχημική (σημ: Η λειτουργία των φωτοηλεκτρικών ανιχνευτών βασίζεται στην παραγωγή ζευγών ηλεκτρονίων–οπών κατά την απορρόφηση της προσπίπτουσας ακτινοβολίας. Οι φωτοχημικοί ανιχνευτές βασίζονται στην ποσότητα του προϊόντος αντίδρασης κατά την αλληλεπίδραση με την ΗΜ ακτινοβολία (π.χ. φωτόλυση, φωτοσύνδεση), η οποία ποσότητα είναι μέτρο της προσπίπτουσας ακτινοβολίας), με τις οποίες ανιχνεύονται ακτινοβολίες κυρίως στο υπεριώδες.

Οι θερμικές πηγές εκπέμπουν ΗΜ ακτινοβολία κατά συνεχή τρόπο. Τα συστήματα των ανιχνευτών, που αντιπροσωπεύουν την κατηγορία των θερμικών ή καλοριμετρικών ανιχνευτών είναι τα βολόμετρα, που μετρούν την απόλυτη τιμή της ενέργεια φωτισμού και των οποίων η απόκριση δεν εξαρτάται από το μήκος κύματος της ακτινοβολίας.

Παράμετροι αξιολόγησης των  ανιχνευτών
Η αξιολόγηση ενός ανιχνευτή στηρίζεται σε χαρακτηριστικές παραμέτρους, όπως είναι: η απόκριση της διάταξης, η σταθερά χρόνου ή χρόνος αντίδρασης και ο τρόπος βαθμονόμησής του. Τις παραμέτρους αυτές θα περιγράψουμε τώρα σύντομα.  Ως απόκριση S ορίζεται το πηλίκο της τιμής ή της ενεργούς τιμής I του παραγόμενου φωτορεύματος ως προς την τιμή ή την ενεργό τιμή της ισχύος P της προσπίπτουσας ακτινοβολίας:
S = I/P  (Ampere/Watt)
Αν το ηλεκτρικό σήμα λαμβάνεται από τα άκρα φορτίου αντίστασης R, τότε ισχύει η σχέση:
S= V/P   (Volt/Watt)

Για ανιχνευτές που λειτουργούν στην ορατή περιοχή, η μονάδα [Watt] μπορεί να αντικατασταθεί από τη μονάδα [Lumen].

Η σταθερά χρόνου τ  ή χρόνος αντίδρασης ενός ανιχνευτή ορίζεται ως εξής: αν διαμορφώσουμε την προσπίπτουσα ακτινοβολία σε μία συχνότητα ν, έτσι ώστε ο χρόνος αντίδρασης του ανιχνευτή να ισοδυναμεί με εκείνον ενός κυκλώματος RC, τότε η συνάρτηση S(ν) της ευαισθησίας του ανιχνευτή θα εκφράζεται από τη σχέση:
S(ν) = So / [1 + (2πντ)^2]^1/2
όπου Sο είναι η απόκριση για μηδενική διαμόρφωση. Η σταθερά χρόνου τ=RC είναι ένα μέτρο για την αντίδραση του ανιχνευτή στις περιοδικές μεταβολές της προσπίπτουσας ακτινοβολίας. Παράλληλα, μπορούμε να ορίσουμε και μία οριακή συχνότητα νορ=1/(2πτ), κατά την οποία το λαμβανόμενο σήμα υποβαθμίζεται στην τιμή 0.707 του αρχικού συνεχούς σήματος. Η συχνότητα αυτή καλείται συχνότητα αποκοπής.

Κύριο χαρακτηριστικό σε έναν ανιχνευτή είναι ο χρόνος ανόδου παλμού (τα), εντός του οποίου αντιδρά στην προσπίπτουσα ακτινοβολία. Μεταξύ των δύο μεγεθών (τ) και (τα) ισχύει η σχέση: τα=2.2τ. Ο χρόνος ανόδου παλμού προσδιορίζεται από τις χρονικές εκείνες στιγμές κατά τις οποίες οι τιμές του παλμού κυμαίνονται μεταξύ 10% και 90% μίας μέγιστης τιμής.

Η βαθμονόμηση του ανιχνευτή από ένα πρότυπο όργανο είναι απαραίτητη, ώστε οι ενδείξεις του να θεωρούνται αξιόπιστες. Ο όρος βαθμονόμηση οργάνου σημαίνει τον ακριβή υπολογισμό μίας απόλυτης τιμής απόκρισης S του ανιχνευτή αναφορικά με συγκεκριμένες συνθήκες μέτρησης, που εστιάζονται στα εξής μεγέθη: (α) στο μήκος κύματος της προσπίπτουσας ακτινοβολίας (φασματική ή κβαντική απόκριση του ανιχνευτή), (β) στη συχνότητα διαμόρφωσης (κατώφλι απόκρισης του ανιχνευτή), (γ) στη γραμμικότητα του ανιχνευτή.

Η βαθμονόμηση επιτυγχάνεται με δύο τρόπους: (α) με τη βοήθεια οπτικών προτύπων, π.χ. μέλανα σώματα που ακολουθούν τους νόμους των Stefan–Boltzmann και Planck και (β) με έμμεσες μεθόδους σύγκρισης, δηλαδή με ήδη βαθμονομημένους ανιχνευτές.

Για τη σωστή απόδοση ενός ανιχνευτή λαμβάνονται υπόψη τα εξής: (α) ο λόγος σήμα εξόδου–προσπίπτουσα ένταση να είναι γραμμικός στην περιοχή των μετρήσεων (αμελητέα φαινόμενα κορεσμού) και (β) το σήμα εξόδου να αποδίδει πιστά τις διακυμάνσεις του σήματος εισόδου, ώστε να περιορίζονται τα στατιστικά σφάλματα.

Για την αγορά ανιχνευτή λαμβάνονται υπόψη τα εξής χαρακτηριστικά: (α) το μήκος κύματος με τη μεγαλύτερη απόκριση (δεν ισχύει στην περίπτωση των καλοριμετρικών ανιχνευτών), (β) η απόλυτη απόκριση, δηλαδή ο λόγος ρεύμα εξόδου–προσπίπτουσα ένταση ακτινοβολίας, (γ) ο λόγος σήμα–θόρυβο. Θεωρείται σημαντικός παράγοντας στην αξιολόγηση και αναγνώριση του σήματος, ιδίως όταν συνυπάρχει έντονος εξωτερικός ή και θερμικός θόρυβος, (δ) ο χρόνος ανόδου του σήματος (rise time), (ε) η σταθερά χρόνου και (στ) το κόστος αγορά.
  
Θόρυβος ηλεκτρονικών συστημάτων
Ο θόρυβος είναι ένα εσωτερικό φαινόμενο κάθε πομπού ή ανιχνευτικού συστήματος, που ελαττώνει την ακρίβεια του οργάνου. Στην περίπτωση πηγών ακτινοβολίας, ως θόρυβο ορίζουμε τις χρονικές διακυμάνσεις που προκαλούνται στη μέση τιμή της έντασης, οι οποίες εμφανίζονται τυχαία χωρίς καμία συνοχή σε συχνότητα και φάση.

 Όλα τα συστήματα ανίχνευσης συνδέονται με το θόρυβο. Το πλέον γνωστό είδος θορύβου είναι ο θερμικός θόρυβος. Απορρέει από τη θερμική κίνηση των ηλεκτρονίων αγωγιμότητας των μέταλλων και εξαρτάται ισχυρά από τη θερμοκρασία του αγωγού. Όταν ο αγωγός ψυχθεί σε πολύ χαμηλές θερμοκρασίες (π.χ. 77Κ) ο θόρυβος μειώνεται αισθητά. Ο θερμικός θόρυβος δεν μπορεί να αποφευχθεί, επειδή οφείλεται αποκλειστικά σε ενδότερο φαινόμενο της φύσης των αγωγών. Ο περιορισμός του θορύβου, σε συστήματα ανίχνευσης οπτικών συχνοτήτων, μπορεί να γίνει είτε με τον περιορισμό του εύρους ζώνης μηκών κύματος είτε με άλλες τεχνικές. Για τη μελέτη του θορύβου ορίζουμε δύο βασικές σχέσεις:
μέσο τετράγωνο θορύβου: 4k T R Δν
μέση ισχύς θορύβου: 4k T  Δν
όπου k=1.38 10^(-23)Joule/Κ, Δν είναι το εύρος των συχνοτήτων και Τ η θερμοκρασία του αγωγού. Για τυπικές τιμές R=10kΩ, Δν=10kHz και Τ=293Κ, η ενεργός τιμή του θορύβου είναι 1.27μV. Η τιμή αυτή εξαρτάται από τη συχνότητα του διαδιδόμενου εντός του αγωγού ΗΜ κύματος.

Οι συνηθέστερες ανιχνευτικές διατάξεις, π.χ. φωτοπολλαπλασιαστές, δίοδοι ημιαγωγών κ.ά. επηρεάζονται από διάφορα είδη θορύβων, όπως τα ακόλουθα:
λευκός θόρυβος (white noise), όπου το μέσο τετράγωνο του θορύβου είναι ανεξάρτητο από τη συχνότητα διαμόρφωσης ν. Ο «λευκός θόρυβος» εμφανίζεται συνήθως σε ηλεκτρονικές διατάξεις (π.χ. ενισχυτές) και προκαλείται από μία τυχαία μείξη διαφορετικών συχνοτήτων, ανεξάρτητα από το σήμα εισόδου. Ονομάζεται και λευκός θόρυβος γιατί περιλαμβάνει όλο το φάσμα των συχνοτήτων, όπως γίνεται και στη σύνθεση του λευκού φωτός,
1/ν–θόρυβος (flicker noise), όπου εμφανίζει σημαντική εξασθένηση στις υψηλές συχνότητες,
θόρυβος παρασίτων, που προκαλείται από συγκεκριμένες συχνότητες. Π.χ. το ηλεκτρικό δίκτυο της ΔΕΗ, στη συχνότητα των 50Hz, μπορεί να προκαλέσει θόρυβο παρασίτων.

Τεχνικοί και φυσικοί θόρυβοι
Οι τεχνικοί θόρυβοι προκαλούνται από πηγές ΗΜ ακτινοβολίας (π.χ. ραδιοσταθμούς, το ηλεκτρικό δίκτυο της ΔΕΗ και ποικιλία σπινθηρισμών), ενώ οι φυσικοί θόρυβοι προέρχονται από εξωγενείς παράγοντες (π.χ. κοσμική και ηλιακή ακτινοβολία). Και τα δύο είδη των θορύβων περιορίζονται με τη χρήση κατάλληλης θωράκισης (π.χ. ελάσματα τύπου Μu).

 Όσοι ανιχνευτές είναι ευαίσθητοι, π.χ. στις οπτικές ακτινοβολίες, μπορεί να καταγράφουν επιπλέον σήματα με τη μορφή θορύβου, όπως π.χ. σε τηλεμετρήσεις της ατμοσφαιρικής ρύπανσης οι ανιχνευτές καταγράφουν ανεπιθύμητα σήματα εξαιτίας της σκέδασης των ηλιακών ακτίνων.

  


  

Δεν υπάρχουν σχόλια:

Δημοσίευση σχολίου