Радиометр

Радиометр — это прибор, предназначенный для измерения потока энергии электромагнитного излучения, в частности, в оптическом, инфракрасном и ультрафиолетовом диапазонах. В более широком смысле термин может относиться к устройствам, регистрирующим ионизирующее излучение (радиометры-дозиметры). Наиболее известным типом является радиометр Крукса, который, вопреки распространённому заблуждению, не измеряет мощность излучения, а демонстрирует её наличие.

Принцип действия

Принцип работы радиометра зависит от его типа. Основные физические явления, используемые в приборах:

• Тепловой эффект: Излучение поглощается зачернённой поверхностью, вызывая её нагрев. Измерение температуры (например, с помощью термопары, болометра или пироэлектрического датчика) позволяет определить мощность излучения. Этот принцип лежит в основе абсолютных радиометров.
• Фотоэлектрический эффект: Фотоны излучения выбивают электроны с поверхности фотокатода, создавая электрический ток. Сила тока пропорциональна интенсивности излучения. Используется в фотоэлементах и фотоумножителях.
• Ионизационный эффект: Ионизирующее излучение (гамма-кванты, альфа- и бета-частицы) ионизирует атомы газа в камере, создавая электрический ток между электродами. Этот принцип используется в радиометрах-дозиметрах (газоразрядные счётчики Гейгера-Мюллера).
• Радиометрический эффект (Крукса): В частично откачанном сосуде с лёгкими крыльчатками, одна сторона которых зачернена, а другая — зеркальная, под действием света возникает разность температур между сторонами. Молекулы газа, отскакивая от более нагретой (зачернённой) стороны, передают ей больший импульс, что создаёт крутящий момент. Этот эффект не является прямым следствием давления света, а обусловлен тепловым скольжением газа.

История

Первые радиометры были созданы в XIX веке. В 1873 году английский физик Уильям Крукс изобрёл радиометр, названный его именем (вертушка Крукса). Он представлял собой стеклянный сосуд с частичным вакуумом, внутри которого на игле вращалась лёгкая крыльчатка с четырьмя лопастями, зачернёнными с одной стороны и блестящими с другой. Крукс первоначально полагал, что вращение вызвано давлением света, но позже выяснилось, что механизм связан с тепловыми эффектами в разреженном газе.

В 1880-х годах русский физик Пётр Николаевич Лебедев, работая в Московском университете, создал более совершенные радиометры для экспериментального доказательства существования давления света на твёрдые тела. В 1900 году он опубликовал результаты своих опытов, в которых с помощью крутильных весов с тонкими крыльями измерил давление света. Эти работы стали классическими и подтвердили электромагнитную теорию Максвелла.

В XX веке развитие радиометрии было связано с освоением космоса, ядерной физикой и спектроскопией. Были созданы высокочувствительные болометры, пироэлектрические детекторы и радиометры для спутникового мониторинга Земли.

Классификация радиометров

Радиометры классифицируются по нескольким признакам.

По типу измеряемого излучения

• Оптические радиометры: Измеряют мощность видимого, инфракрасного и ультрафиолетового излучения. Используются в фотометрии, пирометрии, спектроскопии.
• Радиометры ионизирующего излучения (дозиметры): Измеряют мощность дозы гамма-излучения, плотность потока альфа- и бета-частиц. Применяются в радиационной безопасности, ядерной физике, медицине.
• Микроволновые радиометры: Измеряют мощность радиоизлучения в сантиметровом и миллиметровом диапазонах. Используются в радиоастрономии, дистанционном зондировании Земли, метеорологии.

По конструктивному исполнению

• Абсолютные радиометры: Измеряют мощность излучения непосредственно в энергетических единицах (ваттах) без калибровки по эталону. Основаны на тепловом эффекте и электрическом замещении (нагреве резистора до той же температуры, что и поглотитель излучения).
• Относительные радиометры: Требуют калибровки по эталонному источнику. К ним относятся большинство фотоэлектрических и газоразрядных приборов.
• Радиометры Крукса (демонстрационные): Не предназначены для количественных измерений, служат для визуализации наличия излучения.

По области применения

• Научные: Для лабораторных исследований, астрофизики, спектроскопии.
• Промышленные: Для контроля температуры в печах, измерения тепловых потерь, неразрушающего контроля.
• Медицинские: Для дозиметрии в лучевой терапии, контроля УФ-излучения в физиотерапии.
• Бытовые: Дозиметры для проверки радиационного фона, радиометры для измерения УФ-индекса.

Устройство и характеристики

Радиометр Крукса

Состоит из стеклянного баллона, из которого частично откачан воздух (давление около 0,1–1 мм рт. ст.). Внутри на острие иглы установлена лёгкая крыльчатка из слюды или алюминия с 4 лопастями. Одна сторона каждой лопасти покрыта чёрной краской (сажей), другая — отполирована до блеска. При попадании света на лопасти разница в температуре между зачернённой и блестящей сторонами приводит к тому, что молекулы газа отскакивают от более горячей зачернённой стороны с большей скоростью, создавая реактивную силу. Это заставляет крыльчатку вращаться. Скорость вращения зависит от интенсивности света, но нелинейно.

Абсолютный радиометр

Состоит из поглотителя излучения (обычно зачернённый конус или полость), термодатчика (термопара, термистор) и нагревателя электрического замещения. Излучение нагревает поглотитель, термодатчик регистрирует изменение температуры. Затем излучение перекрывается, и через нагреватель пропускается электрический ток, нагревающий поглотитель до той же температуры. Мощность электрического тока, затраченная на нагрев, равна мощности поглощённого излучения. Это позволяет проводить абсолютные измерения.

Дозиметр-радиометр

Основной элемент — газоразрядный счётчик Гейгера-Мюллера. Он представляет собой герметичную трубку, заполненную инертным газом (аргон, неон) с добавлением галогенов. Внутри трубки находятся два электрода: катод (металлический цилиндр) и анод (тонкая проволока). Между ними создаётся высокое напряжение (около 400–1000 В). При попадании ионизирующей частицы в трубку газ ионизируется, возникает лавинный разряд, и через цепь протекает импульс тока. Количество импульсов в единицу времени пропорционально мощности дозы излучения.

Применение

Радиометры находят применение в различных областях науки и техники:

• Астрофизика: Измерение светимости звёзд, температуры планет, изучение космического микроволнового фона. Спутниковые радиометры (например, на аппаратах «Метеор», «NOAA») используются для наблюдения за облачностью, температурой поверхности океана, состоянием растительности.
• Метеорология: Измерение солнечной радиации (пиранометры), теплового излучения Земли (пиргеометры). Эти данные используются для прогноза погоды и климатических исследований.
• Промышленность: Контроль температуры в металлургических печах, измерение тепловых потерь зданий (тепловизоры — это, по сути, матричные радиометры), неразрушающий контроль материалов.
• Медицина: Дозиметрия в лучевой терапии, контроль УФ-излучения в соляриях, измерение мощности лазерного излучения в хирургии и косметологии.
• Радиационная безопасность: Мониторинг радиационного фона на предприятиях ядерной энергетики, в зонах отчуждения (например, Чернобыльская АЭС), при ликвидации последствий аварий. Бытовые дозиметры используются населением для проверки продуктов питания, стройматериалов, предметов быта.
• Научные исследования: В спектроскопии, фотометрии, при изучении фотохимических реакций.

Интересные факты

• Радиометр Крукса часто называют «солнечной вертушкой» или «световой мельницей». Он является популярным сувениром и наглядным пособием.
• Давление света, измеренное Лебедевым, составляет около 0,0005 Па для солнечного света на поверхности Земли. Этого ничтожно мало, чтобы сдвинуть обычные предметы, но достаточно для движения космических аппаратов с солнечным парусом.
• В 2010-х годах были разработаны радиометры на основе графена, обладающие сверхвысокой чувствительностью и быстродействием.
• В России одним из ведущих производителей радиометров для радиационного контроля является НПП «Доза» (Зеленоград). Их приборы используются на АЭС, в таможенных службах и МЧС.

Источники

1. Лебедев П. Н. «Избранные сочинения». — М.: Гостехиздат, 1949.
2. Крукс У. «О радиометре». — Philosophical Transactions of the Royal Society, 1873.
3. Бронштейн И. Н., Семендяев К. А. «Справочник по математике для инженеров и учащихся втузов». — М.: Наука, 1986 (раздел «Физические основы радиометрии»).
4. ГОСТ 8.207-76 «ГСИ. Радиометры. Методы и средства поверки».
5. Материалы сайта НПП «Доза» (www.doza.ru).