專利名稱：量熱式快響應光輻射檢測器的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及光輻射檢測器領域。
目前用于測量各種光源或輻射場強度的現(xiàn)有技術是王樹鐸、何啟楦、榮書琴在《物理》雜志1987年16卷1號44、38頁上發(fā)表的名為“紫外至遠紅外寬波段輻射測試儀”(以下稱之為對比文獻1))。該儀器既具有能承受較高功率密度；又具有寬光譜響應范圍，同時能對一般連續(xù)功率及脈沖能量進行量熱式檢測。該儀器是恒溫型，吸收體以熱電絲本身作支承，熱電轉換元件測量范圍是－200℃～＋400℃。由于該儀器的結構不能使作為核心的吸收體所吸收的熱量迅速散熱；并且其測量溫度只能限于400℃以下；在實驗和實際使用中證實了這種探測器的測量周期為秒級，不能測量重復頻率高于每秒5次的脈沖輻射；也不能用于連續(xù)的大功率輻射測量。
本實用新型的目的在于提供一種寬光譜響應、耐高功率密度強輻射、高靈敏度、快響應、重復頻率不大于每秒10次的脈沖輻射能量檢測器，同時它又是檢測連續(xù)的大功率輻射的量熱式功率能量兩用檢測器。
本實用新型的目的是這樣達到的改善了熱電偶熱端結點與作為吸收體的石墨片(或錐腔)的接觸緊密程度以及吸收體的散熱狀況，并采用鎳鉻－康銅微型熱電偶。具體地說作為吸收體的石墨薄片或錐腔被氧化絕緣金屬片緊壓在雙面各分布輻射線和中間有通孔的鍍銀敷銅板上的42～180對微型鎳鉻－康銅熱電偶熱端結點，該熱電偶熱端結點以本身的張力或彈力加壓在吸收體的導熱絕緣介質(zhì)膜上，吸收體另一側被氧化絕緣金屬片緊壓在鍍銀敷銅板上，在鍍銀敷銅板與氧化絕緣金屬片之間和吸收體外側四周設有輻射散熱通道，在緊靠氧化絕緣金屬片之間，設有背后帶有半圓突出部的壓塊，固定螺圈和鎖緊螺圈壓緊壓塊，從而使氧化絕緣金屬片緊壓吸收體，同時，其壓力方向與熱電偶本身張力或彈力加壓的方向相反，從而本實用新型的目的就完全達到了。
以下結合附圖對本檢測器進行詳細說明。
附

圖1是本檢測器縱剖面圖；附圖2是吸收體部分詳細縱剖面圖；其中2a是縱截面圖；2b是2a的右視圖。
附圖3是吸收體響應時間曲線示意圖；附圖4是吸熱體散熱時間曲線示意圖；附圖5是錐腔石墨片吸收體示意圖。
從附圖1可見本檢測主要由檢測器吸收體(3)、微型金屬熱電偶(1)、鍍銀敷銅板(2)、氧化絕緣金屬片(4)、壓塊(5)、固定螺圈(6)、鎖緊螺圈(7)、雙芯輸出接插座固定板(10)、壓蓋(11)、雙芯輸出接插座(12)、入射通孔(15)、入射孔蓋(13)、支桿(14)、冷端熱沉(9)等組成。
為了取得寬光譜響應、耐高功率密度強輻射、高靈敏、快響應、重復頻率不大于每秒10次的脈沖輻射能量的檢測器，輻射吸收體是最重要的核心。本設計檢測器與對比文獻1)王樹 等人所用石墨基本相同，都是特制的高純石墨，其使用時承受的瞬時溫度可達1000～2300℃，從而可以承受高功率密度。本設計所用石墨吸收體是圓盤形(或錐腔)，但石墨體厚度為80～200μm，比對文獻1)稍厚，強度可比對比文獻1)的石墨片大一倍以上，便于增加其機械強度。
本設計檢測器中作為吸收體(3)的石墨薄片或錐腔被氧化絕緣金屬片緊壓在雙面各分布輻射線和中間有通孔的鍍銀敷銅板(2)上的42～180條輻射線(20)上，通過所說的鍍銀敷銅板(2)中間通孔在吸收體(3)的導熱絕緣介質(zhì)膜上分布42～180對微型鎳鉻－康銅熱電偶(1)熱端結點，該熱電偶熱端結點以本身的張力或彈力加壓在吸收體(3)的導熱絕緣介質(zhì)膜上，吸收體(3)另一側被中間有通孔的氧化絕緣金屬片(4)緊壓在鍍銀敷銅板(2)上，在鍍銀敷銅板(2)與氧化絕緣金屬體(4)之間，吸收體(3)外側四周設有輻射散熱通道(17)，在緊靠氧化絕緣金屬片(4)之前，設有背后帶有半圓突出部(18)的壓塊(5)，固定螺圈(6)和鎖緊螺圈(7)壓緊壓塊(5)，使氧化絕緣金屬片(4)緊壓吸收體(3)，而吸收體(3)所受壓力方向與壓在吸收體(3)上的熱電偶(1)本身張力或彈力加壓方向相反。
在本檢測器后部是熱電偶冷端熱沉(9)，它也是檢測器的外殼。在后部還設有雙芯接插座固定板(10)，在其上設有雙芯輸出接插座(14)，可以連接本檢測器所檢測輸出的引線。在本檢測器前部入射孔(15)端部有入射孔蓋(13)，前蓋(8)是帶有入射孔(15)的金屬蓋，可作為增大冷端熱沉的熱容，后蓋(11)將雙芯輸出接插座固定，支桿(14)用以支撐本設備。
附圖2是本檢測器吸收體部分的詳細示意圖，其中2a是縱截面圖，2b是2a的右視示意圖。在圖2b上，最前端是壓塊(5)，將壓塊(5)部分割切后就看到氧化絕緣金屬片(4)，將氧化金屬絕緣片(4)部分剖切后，可見在該氧化絕緣金屬片(4)和后部的鍍銀敷銅板(2)之間夾有作為吸收體的圓盤形石墨片(3)，但只夾住該石墨(3)的外緣，其余空隙是散熱通道(17)，將石墨片(3)部分剖切后可見在鍍銀敷銅板(2)上兩面各有42～180根寬度為200μm相互等距離分開的輻射線(20)，吸收體(3)就緊壓在鍍銀敷銅板(2)的該42～180條輻射線上。熱電偶冷端便焊接在鍍銀敷銅板另一面輻射線端面，相互串接為熱電堆。在石墨片吸收體(3)與熱電偶(1)接觸面上有一層絕緣導熱的介質(zhì)膜，以便與微型電偶絕緣，但又能導熱，以利于減少接觸熱阻。在通過敷銅板(2)中間通孔的吸收體介質(zhì)膜上分布42～180對微型熱電偶(1)(在圖2b上未畫出)，該熱電偶是以本身金屬絲的彈力或張力支撐和加壓石墨片(3)。此外熱電偶(1)與石墨片(3)之緊密接觸是本實用新型特征。在材料和工藝條件相同時，吸收體(3)的響應時間取決于吸收體(3)與熱電偶(1)熱端結點接觸之間的熱阻大小，如熱阻大則響應時間慢，而接觸越緊密則熱阻越小。熱電轉換響應時間與吸收體同熱電偶熱端結點接觸緊密程度(熱阻)的關系見附圖3。該圖橫軸是響應時間t(ms)，縱軸是輸出電壓V，從圖可見，a曲線熱阻大，其響應時間長，而b曲線熱阻小，其響應時間相應地短。本實用新型響應時間為50～60ms，而對比文獻1)為小于僅0.4s。
本實用新型與對比文獻1)都使用石墨作為吸收體，因此改善吸收體(3)與熱電偶熱結點的接觸狀況和散熱狀況就是本實用新型的特征。本實用新型是從二方面入手，一方面使吸收體(3)與熱電偶(1)熱端結點的接觸緊密，一個是改善散熱況狀。散熱的重要性可從檢測器檢測光脈沖下降曲線如附圖4看出，該檢測光脈沖下降與吸收體散熱時間曲線有關，散熱越快，則檢測光脈沖曲線下降也相應越快，附圖4橫軸是響應時間t(ms)，縱軸為輸出電壓V／C曲線散熱慢，其檢測光脈沖曲線下降慢，曲線平緩，如散熱快的d曲線，檢測光脈沖曲線就陡然而下，因而轉換快。檢測光脈沖周期與吸收體同熱電偶熱端結點的熱阻，熱電轉換響應時間及吸收體散熱時間有關。熱阻越小，散熱越快，其檢測周期也越短，能檢測的脈沖頻率越高。
吸收體(1)也做成錐腔型，由于錐腔吸收體的吸收面為斜面，從而可使輻射能在其表面得到分散性彈射，因此，當入射口徑相同時，錐腔所能承受的輻射能量要比平面大幾倍甚至近10倍，特別是錐腔角度α不大時。本實用新型所用錐腔吸收體錐角為30～60°，直徑φ10～60mm，厚度約為100μm，附圖5就是錐腔吸收體示意圖。
本實用新型改進吸收體與熱電偶熱結點接觸的緊密程度是利用金屬熱電偶自身的彈力或張力加壓吸收體(3)上并將其支承，而不是一般地自然的粘結，同時熱電偶絲本身又有散熱功能；另一方面以壓塊(5)通過固定螺圈(6)和鎖緊螺圈(7)對氧化絕緣金屬片(4)加壓，該氧化絕緣金屬片又把吸收體(3)緊壓在作為快速散熱通道的雙面分布的輻射線、中間有通孔的敷銅板(2)的輻射線條(20)上，微型金屬熱電偶(1)熱端結點又以與氧化絕緣金屬片(4)壓力相反的方向緊壓吸收體絕緣導熱介質(zhì)膜，從而大為改善吸收體(3)與熱電偶(1)熱端結點接觸的緊密程度。
在散熱方面除吸收體上的絕緣導熱介質(zhì)膜和熱電偶本身能導熱散熱外，在鍍銀敷銅板(2)與氧化絕緣金屬片(4)之間的內(nèi)側有被夾緊的吸收體(3)，而在該吸收體之外端則是特設的散熱通道(17)，氧化絕緣金屬片(4)也能傳熱、散熱。敷銅板(2)上分布的多條輻射線也是快速散熱通道，熱電偶冷端便焊接在該敷銅板(2)另一面輻射線端并相互串接為熱電堆。這種結構使吸收體(3)吸收熱量與耐高溫的微型金屬熱電堆進行熱電轉換后作輻射形快速散熱，使之瞬時產(chǎn)生最大的溫差電勢。
本實用新型所用熱電轉換元件即熱電偶的材料為效率高、耐高溫的熱電絲鎳鉻－康銅，這種熱電轉換元件的測量溫度范圍是300℃～900℃，溫差電勢為68μV／ ，此外，鎳鉻絲的彈性大，用鎳鉻－康銅熱電偶絲比銅－康銅為熱 的彈性大它對吸收體壓緊的程度提高，從而也有利于減少吸收體與熱電偶熱端結點接觸間的熱阻，從而又加快響應時間。
在使用過程中，首先將欲測的輻射線光束瞄準制蓋上帶瞄準靶圈的入射孔蓋中心，然后關掉輻射源，卸下入射孔蓋，使輻射光束直接射到吸收體上，經(jīng)過熱電轉換后，信號通過引線引到后部的雙芯輸出插座輸出到示波器或其它顯示儀表上讀出結果。
本實用新型測器的實際應用中，與同類型探測器相比，解決了較大功率和較高重復頻率激光器的標定和監(jiān)測，特別是對醫(yī)用激光和激光研究實驗的監(jiān)測，本檢測器最大功率實測為17W／cm。重復頻率不大于10次／秒，此外，由于本檢測器的峰值功率密度可高達200MW／cm2，而對比文獻1)為100MW／cm2，從而解決了目前量熱式或熱釋電探測器所不能解決的問題。尤其是，在實驗中解決了各種染料脈沖激光器及高重復頻率，高峰值功率密度激光器輸出的脈沖能量測定。本檢測器適用于檢測重復頻率不大于10次／秒，光譜范圍0.25～30微米，峰值功率密度200MW／cm2，最大功率15W／cm2，靈敏度為160mV／W的光熱輻射能量與功率，也可用來對光熱輻射源輸出功率、能量的穩(wěn)定性進行監(jiān)測，從而改善了傳統(tǒng)的量熱式檢測器靈敏度低、響應速度慢、測量周期長、不能測高重復頻率脈沖的現(xiàn)狀。
實施例1當吸收全為圓薄片石墨φ12mm，對YAG激光器調(diào)Q輸出，脈寬20毫微秒，脈沖周期為0.1秒，能量密度4.0焦耳／平方厘米，又對光斑面積0.48平方厘米、功率為9瓦的連續(xù)功率輸出進行檢測，結果令人滿意。
實施例2當吸收體為錐腔，其直徑φ為16mm，錐腔角度為60°時，對YAG激光器調(diào)Q輸出，脈寬30毫微秒，能量密度9.0焦耳／平方厘米，同時還對功率100W，光斑直徑12mm的連續(xù)激光輸出進行了檢驗，也都得到很好的效果。
權利要求1.量熱式快響應光輻射檢測器，具有一側帶導熱絕緣介質(zhì)膜的石墨吸收體、氧化絕緣金屬片、熱電偶及冷端熱沉，其特征在于作為吸收體的石墨薄片(或錐腔)被中間有通孔的氧化絕緣金屬片緊壓貼在雙面分布輻射線和中間有通孔的鍍銀敷銅板上的42～180條輻射線上，通過所說的鍍銀敷銅板中間通孔在吸收體的導熱絕緣介質(zhì)膜上分布42～180對微型鎳鉻-康銅熱電端結點，該熱電偶熱端結點以本身張力或彈力加壓在吸收體的導熱絕緣介質(zhì)膜上，吸收體另一側被氧化絕緣金屬片緊壓在鍍銀敷銅板上，在鍍銀敷銅板與氧化絕緣金屬片之間和吸收體外側四周設有輻射散熱通道，在緊靠氧化金屬片之前，設有背后帶有半圓突出部的壓塊，固定螺圈和鎖緊螺圈壓緊壓塊，使氧化絕緣金屬片緊壓吸收體，而吸收體所受壓力方向與壓在吸收體上的熱電偶本身張力或彈力方向相反。
2.按照權利要求1所說的檢測器，其特征在于在鍍銀敷銅板上雙面分布的42～180條輻射線的寬度是200μm。
3.按照權利要求1所說的檢測器，其特征在于所說的吸收體是圓盤狀石墨片，其厚度為80～200μm。
4.按照權利要求1所說的檢測器，其特征在于所說的吸收體是石墨錐腔，錐的角度α為30～60°，錐的直徑φ為10～60mm，石墨厚度約100μm。
專利摘要本實用新型涉及一種量熱式快響應光輻射檢測器。本檢測器改善了熱電偶熱端結點與作為吸收體石墨片(或錐腔)的接觸緊密程度以及吸收體散熱狀況，并采用了鎳鉻-康銅微型熱電偶，從而降低了熱電偶熱端結點與吸收體之間的熱阻，加快響應時間，縮短檢測周期，提高能檢測的脈沖頻率。
文檔編號G01J5/12GK2102505SQ91217870
公開日1992年4月22日 申請日期1991年7月15日 優(yōu)先權日1991年7月15日
發(fā)明者何榮新, 何榮京 申請人:何榮新