Классификация и рациональное проектирование солнечных имитаторов

Трудно переоценить влияние солнечной радиации на процессы протекающие в природной и техногенной средах, поэтому испытаниям на воздействие солнечного излучения п од вергают изделия и материалы от самых простейших до космических аппаратов и их систем [1]. Проведение испытаний в натурных условиях часто оказывается невозможно или слишком дорого по причинам сложности поддержания одних и тех же условий при проведении серии экспериментов; работы в режиме реального времени, что неоправдано удлиняет сроки испытаний [2]. Эти трудности многократно возрастают при комбинированных воздействиях.

С другой стороны имитация как абсолютных значений плотности мощности потока солнечного излучения, так и его спектрального распределения на площади —100 см², на которой можно было бы разместить испытуемый образец, изделие или модель аппарата связано с крупными энергозатратами. Так промышленный имитатор Солнца [3] с газоразр ядн ой ксеноновой лампой с максимальным световым диаметром 120 мм потребляет от сети 15 кВт, хотя и имеет погрешность имитации солнечного спектра ±10% в диапазоне длин волн 0,35...2 мкм. Конкретизаиция цели физического моделирования часто позволяет добиться адекватности модельной и реальной ситуации менее энергоемкими средствами.

В настоящее время можно ввести классификацию задач, каждая из которых предъявляет свои специфические требования к имитатору Солнца: - Солнце как источник фото индуцируемых химических превращений [4];

• -    Солнце как источник радиационного нагрева [1];

• -    Солнце как источник фоновых помех [5];

• -    Солнце как маяк астронавигационных систем [б, 7];

• -    Солнце как источник электродвижущей силы фотопреобразователей [8];

• -    Солнце как источник биологически активного излучения.

Последняя проблема выходит за рамки настоящей работы.

Создание имитатора для решения любой из вошедших в классификационный список задач, как правило, не требует воссоздания солнечного спектра во всем исследованном диапазоне 0,14...300 мкм и достижения интегральной плотности потока солнечной радиации на уровне солнечной постоянной 135,5 мВт/см2 [9]. Экспериментальными исследованиями механизмов фотоокрашивания покрытий с наполнителями из неорганических пигментов (А12О3, MgO, ТЮ2, PiCO3, ZnO и др.) доказано, что на их протекание основное влияние оказывает "жесткая" часть ультрафиолетового излучения (0,2...0,3 мкм) в световом пучке [4]. В этой спектральной области лучшим имитатором спектра Солнца является ксеноновая лампа ДКиР. Расхождение спектров Солнца и лампы ДКиР в длинноволновой области (^0,4 мкм) несущественны в связи с ее слабой фотоактивностью. Присутствие ультрафиолетовой части спектра в пределах от 280 нм до 400 нм с плотностью потока £100 Вт/м2 также необходимо и при испытаниях радиоаппаратуры [10]. В области "жесткого" ультрафиолета лампы накаливания неэффективны и вряд ли могут составить конкуренцию газоразрядным и дуговым источникам света.

В общем виде поглощенный элементарной площадкой tfo₂ квазимонохроматичный лучистый поток, создаваемый элементарной площадкой источника do_x в дифференциальной форме определяется выражением:

^-^nx-^00^ 1 ^о i)(azcos92 Jo^dk/r2,

^ - спектральная энергетическая яркость источника da_x в направлении площадки ^ax - спектральный коэффициент поглощения площадки do₇ в направлении источника dc_x; _Ф1 - угол между радиусом-вектором, соединяющим площадки da_A и ^ и нормалью к изучающей площадке d=_v, ^ . угол между тем же радиусом-вектором и нормалью к площадке dc₂ [1]; г - длина радиуса-вектора.

Форма записи выражения (1) в виде произведения двух скобок удобна тем, что позволяет разделить члены, относящиссяя в основном к источнику лучистого потока и к поглощающей его площадке.

Если учесть, что а_х и В^ зависят не только от направлении, но и состояния поляризации, что задача как теоретических, так и экспериментальных оценок поглощенного образцом лучистого потока F_n без упрощающих предположений становится сложной. Удаленность Солнца и отсутствие поляризационной составляющей в его спектре приводит к следующим упрощениям выражения (1):

z^constp ф^соп^ (2)

2                      г Bi cosVi d /^^ = а^ со5ф2^о2^ J ---2—^О| ^а^^, cos^^^^' ’         (3)

где - S1 - площадь поверхности Солнца;

Ех

\^ldQi Sx r

спектральная плотность энергетической освещенности, создаваемой Солнцем на расстоянии равном радиусу орбиты Земли. Значения Е_х в верхних слоях атмосферы и на поверхности Земли надежно установлены и приведены в справочной литературе [9, 12, 13].

Воссоздание Е^ в рабочей зоне является достаточным условием, предъявляемым к имитатору солнечного излучения для испытаний на радиационный нагрев, причем на диапазон 0,3... 1,8 мкм приходится 90% излучаемого Солнцем потока [9]. Так же нет необходимости предъявлять жесткие требования к расходимости излучения, поскольку cosl5°=0,966, и величина d^F^ мало меняется даже для такого сильно расходящегося потока. В случае же слабой зависимости а_х от X вообще достаточно воспроизвести величину

E_o = \E_xdk, (5)

на уровне солнечной постоянной без строгой идентификациии спектрального распределения. Поэтому простые осветители типа софитов с галогенными лампами являются вполне удовлетворительными имитаторами.

К задаче радиационного нагрева тесно примыкают и проблемы испытаний фотопреобразователей лучистого потока в электрическую энергию, т.к. требуемые для этого интегральные плотности потоков излучения соизмеримы с солнечной постоянной. Но и здесь наиболее распространенные фотоэлементы на основе кремния эффективны лишь при освещении их светом с длинами волн от 0,4 мкм до 1,1 мкм, достигая максимума коэффициента преобразования на 1 мкм [8]. В спектральном диапазоне 0,4...1,1 мкм интегральная энергетическая освещенность составляет уже не 135,5 мВт/см2, а 91,2 мВт/см2, а с учетом поглощения в слое атмосферы и того меньше. Поскольку электродвижущая сила фотоэлемента также изменяется по закону cos2 от угла падения света, то жесткие требования к расходимости излучения не предъявляются. Максимум спектральной плотности силы излучения галогенных ламп накаливания приходится на область 1...1,2 мкм [4], что согласуется с максимумом коэффициента преобразования кремниевых фотоэлементов. Таким образом, имитатор Солнца с простыми в эксплуатации лампами накаливания в качестве источника излучения будет иметь характеристики, близкие к оптимальным.

При проверке астронавигационных приборов имитатор должен воспроизводить заданный уровень превышения сигнала над фоном в области спектральной чувствительности датчика и, для датчиков точной ориентации [7], угловые размеры Солнца (32 угл.мин) [15]. Чувствительными элементами датчиков служат кремниевые, германиевые или сернисто-кадмиевые фотодиоды и фотосопротивления. Максимум их спектральной чувствительности лежит в видимом или ближнем ИК диапазонах. Часто в датчиках Солнца с помощью красных и нейтральных светофильтров осуществляется амплитудная селекция излучения по мощности и спектру. Следовательно спектральное согласование имитатора с датчиком Солнца требуется лишь в относительно узкой области, а величина интегрального светового потока в согласованном интервале длин волн уменьшена на величину ослабления вносимого нейтральным светофильтром, естественно с одновременным его выведением из оптического тракта. Компактность тела накала малогабаритных галогенных ламп типа КГ-12x100 и КГ-24х150 [16] обеспечивает малые угловые размеры источника излучения.

Солнце как источник фоновых помех для оптико-электронных приборов активного типа с лазерными излучателями и спектральной селекцией отраженных сигналов можно имитировать теми или аналогичными лазерными излучателями с формирующей оптикой и ослабителями, чтобы получить уровни фоновых освещенностей на модели или ее части в соответствии с полосой пропускания ОЭП. При узкой 1...10 нм полосе пропускания эти

От экспериментатора требуется лишь

уровни невелики и легко достижимы.

воспроизведение угловых положений в системе: имитатор - модель - ОЭП.

Для ОЭП пассивного типа, работающих по отраженному объектом солнечному излучению или собственному тепловому, важно соблюсти подобие спектральных распределений Солнца и имитатора, достижение же интегральной энергетической освещенностью значения солнечной постоянной не является обязательным условием. Основные параметры ОЭП - вероятности обнаружения и ложных тревог зависят от отношения сигнал/шум [5], обеспечение которого и является необходимым условием адекватности модельной ситуации и реальности. Часто достаточно отношение сигнал/шум 5...10. В лабораторных же условиях помехи могут составлять в среднем доли фотона за цикл измерения. Однако уменьшение интегральной энергетической освещенности может привести к трансформации статистики фотоотсчетов от нормального распределения для сильного сигнала через различные промежуточные к пуассоновской [17]. Оценочные уровни смены статистик: £100 фотоотсчетов за цикл измерения - нормальная, £10 -пуассоновская, 10... 100 - промежуточная, которая определяется источником излучения, средой распространения и самим ОЭП и, как правило, нуждается в самостоятельном исследовании. Поскольку спектр излучения Солнца довольно точно аппроксимируется черным телом [18], как и излучение галогенных ламп [14], то и в этом случае, как будет показано ниже соответствующим подбором светофильтров излучение галогенной лампы приводится к цветовой температуре Солнца в требуемой спектральной области.

Схемы построения излучателей имитаторов Солнца аналогичны оптическим схемам проекционных приборов [15, 19]: источник света, конденсор, объектив (см.рис.1). Назначение конденсора - собрать как можно большую долю светового потока источника в фокальной плоскости объектива, а объектива - задать требуемую расходимость. Корректирующий светофильтр приближает спектральное распределение источника света к солнечному в заданной области спектра.

Как было показано, для решения нескольких классов задач перспективно использование в качестве источника света имитатора Солнца галогенных ламп накаливания. Их цветовая температура в рабочей области изменяется по линейному закону в зависимости от протекающего через них тока от 1900 до 3500 К [14], поэтому ток лампы имитатора необходимо стабилизовать электронными средствами что и отражено на схеме (рис.1). Поскольку Солнце и галогенная лампа моделируются абсолютно черными телами с цветовыми температурами 1\ и К соответственно, ТС ^распР^{еделения} энергии их излучения по длинам волн описываются хруНК-ЦИСИ [ZUJ.

4,9651

Ущ^) = 142,32x^(6^ -1)"1, где индекс 1 относится к Солнцу, а индекс 2 к лампе:

^дд-ЬАтдд,

X - длина волны; Xml2 ~ длина волны излучения абсолютно черного тела в максимуме и вычисляется по закону’ Вина:

Ап, 1,2 ~ ^^Д,

где с=2897,8 мкм • к - постоянная Вина.

Рис.1. Схема имитатора Солнца

1 - источник света; 2 - конденсор; 3 - корректирующий светофильтр; 4 - регулируемая диафрагма; 5 - объектив; 6 - стабилизатор тока.

В абсолютных единицах, спектральное распределение энергетической освещенности примет вид:

Адд = ^д^ьгУхдО^ддЬ( где Ех - интегральная энергетическая освещенность (солнечная постоянная), Е^ -интегральная энергетическая освещенность, которую создает галогенная лампа; с12 -нормирующий множитель, имеющий размерность X-1. Он вычисляется из условия:

^1Д = J^u^’(9)

о и для абсолютно черного тела определяется простым выражением:

с1>2 = 0,6575687X^^2(Ю)

Коэффициент пропускания корректирующего светофильтра Т_х, трансформирующего спектр лампы Е^ ^в спектр подобный солнечному кЕх_Х в некотором диапазоне (см.рис.2), является решением уравнения:

^1 = ^ ,(И)

откуда

7^ = kE^fE^,(12)

где к - коэффициент пропорциональности.

Рис.2. К расчету корректирующего светофильтра

1 - Солнце с цветовой температурой Тр 2 - лампа с цветовой температурой Т2;  3,4,6 - элементарные площадки; 5 - корректирующий светофильтр.

Подставив в (12) выражение для Е^ j ₂ (8), получим:

Если в решении (13) Т₂>Т_г , то Хд^Х^, т.е. X_ml/X_m2>l и соответствующим подбором величин к и Е₂ можно получить полную идентичность спектрального распределения имитатора и Солнца в любом спектральном диапазонее 0<Х<оо с помощью пассивного светофильтра, т.к. 7^1 для всех 0<Х<оо.

Поскольку цветовая температура Солнца выше чем у галогенных ламп (Т2<Т1 и ^ш1Ат2<1 и полная идентификация спектров с помощью корректировок пассивным (7^1) светофильтром невозможна в полном соответствии со вторым началом термодинамики. Тем не менее в ограниченной области спектра для длин волн больше некоторой критической Х^ точное воспроизведение спектрального распределения излучения Солнца достижимо.

Значение Х^ находится из условия Тх=1 :

Из-за трансцендентности уравнения (14) доказательство существования его решения следует из рассуждений качественного характера. При Т₂<Т_Х , X_m2>X_ml наиболее быстрорастущей частью выражения (13) с уменьшением X является числитель

Поэтому, если для больших Х>л_кр удается подобрать к и Е^ , чтобы Т_х<1 , то по достижении 2=^ с уменьшением л сначала достигается равенство 7^=1 , а затем и Т_х>1, когда пассивный фильтр становится физически нереализуем.

В заключение следует отметить перспективность использования импульсных излучателей для создания имитаторов Солнца как источника фоновых помех, маяков и электродвижущей силы, особенно при решении задач, связанных с получением интегральных плотностей мощности потока на уровне солнечной постоянной или выше. Здесь наряду с изложенными выше требованиями по уровням энергетической освещенности, спектральным распределениям и расходимости, следует наложить еще естественное ограничение на длительность импульса имитатора Тц. Тц должна быть больше характерного для конкретных испытаний промежутка времени то , в качестве которого может выступать время сбора первичной информации датчиков, например время записи в ЭВМ кадра телевизионного изображения, постоянная времени датчика Солнца или солнечной батареи.