一种测量介质吸收系数和介质中任意材料反射率的方法技术

本发明专利技术公开了测量介质吸收系数和介质中任意材料反射率的方法。其中测量介质吸收系数和内壁反射率的方法包括：1)选取一内壁为高反射材料的探测器并在内壁上设置一小面积开口，探测器里充满待测介质；2)利用光源通过微孔照射，采集光信号波形；拟合得到光在探测器中的有效衰减长度；3)改变反射区大小；重复步骤2)，得到不同大小反射区内的有效衰减长度；4)根据公式λ

A method for measuring the absorption coefficient and reflectivity of any material in the medium

【技术实现步骤摘要】
一种测量介质吸收系数和介质中任意材料反射率的方法


[0001]本专利技术涉及测量介质吸收系数以及介质中任意材料反射率的方法，通过测量光强衰减测量介质的吸收系数以及介质中任意材料的反射率。

技术介绍

[0002]光在介质里沿传播方向上的光强衰减由介质对光的吸收和散射造成。由于受散射的影响，能买到的成品仪器如分光光度计等可以测量光在介质中的衰减因子，却没法测量去除散射效应后的吸收系数。介质中材料的反射率的测量受介质吸收的影响，也是一个国内外技术难题，国内外大部分计量机构没有成熟的技术仪器能提供精确的测量。
[0003]本专利技术从第一原理出发，根据光在内壁为反射材料探测器里的吸收反射传播原理，开发出了一系列测量探测器光学参数的创新方法。本专利技术基于第一原理提出方法并推导公式模拟证明，开发方法证明用同一装置可以实现介质吸收系数和介质中任意材料反射率的测量，填补了国内外技术空白。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的在于提供测量介质吸收系数以及介质中任意材料反射率的方法。本专利技术利用内壁为高反射材料且反射区域的大小可调节的探测器，并通过内壁上微孔设置一信号采集器和光源，探测器设一小面积的开口可覆盖任意反射率的待测材料，光敏元件采集探测器内被脉冲光照射后的信号变化，分别测量反射区域不同大小以及开口处无反射材料和开口处覆盖待测材料时的信号大小随时间变化的波形信号，用简易新型方法测量介质中光的吸收系数以及介质中任意种类材料的反射率。
[0005]本专利技术的技术方案为：
[0006]一种测量介质的吸收系数和介质中探测器内壁反射率的方法，其步骤包括：
[0007]1)选取一内壁为高反射材料的探测器，并通过内壁上微孔设置信号采集器和光源，光反射区域的大小可调节(比如圆柱腔或长方体腔可通过调节上下反射面的间距改变反射区域高度)，反射面上设一个小面积开口，探测器里填充待测介质；
[0008]2)利用选取的脉冲光源在所述探测器反射区里照射，用所述信号采集器采集光信号波形，根据所采集信号波形拟合得到光在所述探测器中的有效衰减长度；
[0009]3)改变所述反射区的大小(比如反射区高度)，重复第2)步操作，测量反射区域不同大小时光在探测器里的有效衰减长度；
[0010]4)根据公式λ
’
＝1/(1/λ
‑
ln(f1*(1
‑
ε))/L)拟合有效衰减长度λ
’
与所述改变反射区大小的参数(比如高度)的对应点，得到反射腔中介质的吸收长度λ(吸收系数的倒数)和开口面积之外探测器内壁的平均反射率f1，也可以拟合λ
’
与L的对应点得到λ和f1。其中，λ
’
为根据所采集光信号波形拟合得到光在不同大小反射区中的有效衰减长度，ε为反射区域不同大小时对应的开口面积与反射区内壁面积的比值，L为分别得到的光在不同大小反射区内的单次反射平均光程(平均反射步长)，可通过4*(反射区域体积)/(反射区域内壁面
积)计算，也可以通过Geant4模拟得到或通过专利ZL201710397900.8中的方法测量。
[0011]本专利技术还提供了一种测量介质中任意材料反射率的方法
[0012]1)选取一内壁为高反射材料且存在一小面积开口的探测器，并通过内壁上微孔设置一信号采集器和光源，探测器里填充上述介质(可直接用上述方法描述的装置以及测出的介质吸收长度λ)；
[0013]2)利用选取的脉冲光源在所述探测器里照射，用所述信号采集器采集光信号波形，根据所采集信号波形拟合得到光子在所述探测器反射区中的有效衰减长度λ1；
[0014]3)将所述开口处覆盖上待测材料，利用所述光源在所述探测器里照射，用所述信号采集器采集光信号波形，根据所采集信号波形拟合得到光子在所述探测器反射区中的有效衰减长度λ2；
[0015]4)根据探测器的尺寸和所述开口面积占反射区内壁面积的比例ε以及测量到的λ1、λ2和介质吸收长度λ计算所述开口处覆盖待测材料的反射率f2。
[0016]步骤4)中，根据公式计算所述介质中待测材料的反射率f2；其中L为所述光在所述探测器内的单次反射平均光程(平均反射步长)，可通过4*(反射区域体积)/(反射区域内壁面积)计算，也可以通过模拟得到或通过专利ZL201710397900.8中的方法测量。
[0017]本专利技术提供第二种测量介质中任意材料反射率的方法
[0018]1)选取一内壁为高反射材料且存在一小面积开口的探测器，并通过内壁上微孔设置一信号采集器和光源，探测器里填充上述介质(可直接用上述方法中描述的装置以及测出的介质吸收长度λ和介质中除开口外内壁的平均反射率f1)；
[0019]2)将所述开口处覆盖上待测材料，利用所述光源在所述探测器里照射，用所述信号采集器采集光信号波形，根据所采集信号波形拟合得到光子在所述探测器中的有效衰减长度λ2；
[0020]3)根据探测器的尺寸和所述开口面积占反射区内壁面积的比例ε以及测量到的f1、λ2和λ计算所述开口处覆盖待测材料的反射率f2。
[0021]步骤3)中，也可根据公式计算介质中待测材料的反射率f2；其中，L为所述光在所述探测器内的单次反射平均光程(平均反射步长)，可通过4*(反射区域体积)/(反射区域内壁面积)计算，也可以通过模拟得到或通过专利ZL201710397900.8中的方法测量。
[0022]进一步的，用N*e
‑
t/τ
指数拟合采集的信号大小随时间变化的波形得到光子数随时间的衰减因子τ，将该衰减因子乘以光速，得到光子在探测器里的有效衰减长度；或者将采集的信号大小随时间变化的波形乘以光速变化为随距离的波形，再用N*e
‑
t/λ
’
拟合得到有效衰减长度λ
’
；其中，N、τ、λ
’
都是可以直接拟合出的参数，分别为拟合的初始时刻信号采集器采集的光电子数、有效衰减时间、有效衰减长度。
[0023]进一步的，所述开口的面积占所述探测器的内壁面积的比例ε建议小于5％。
[0024]进一步的，对高反射材料内壁的反射率没有具体要求，为了增加取数效率建议内壁主体高反射材料的反射率大于90％，且非纯镜面反射材料。
[0025]进一步的，对介质的吸收长度没有具体要求，但吸收长度越大，需要内壁反射率越
大或者探测器尺寸越大能达到更好的测量精度。
[0026]进一步的，对探测器大小和形状没有具体要求，但对于不同的吸收散射长度和反射率，适用于不同大小的探测器能达到更好的测量精度。
[0027]本专利技术根据光子在内壁为高反射材料且有开口的探测器里的反射与吸收衰减原理，开发方法证明用上述描述的同一个内壁为反射材料的探测装置可实现介质吸收系数和介质中任意材料反射率的测量。光在介质中的吸收长度以及介质中材料的反射率，依赖于光的波长以及介质和材料的属性，是比较难直接测量的参数。光在介质里沿传播本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种测量介质吸收系数与介质中探测器内壁反射率的方法，其步骤包括：1)选取一内壁为高反射材料的探测器并在所述内壁上设置一微孔和一小面积的开口；开口区域外和探测器外为黑色避光；所述探测器中填充待测介质；2)利用所选光源通过所述微孔照射所述探测器反射区域，用信号采集器通过所述微孔采集光信号波形并发送给数据处理单元；数据处理单元根据所采集光信号波形拟合得到光在所述探测器反射区中的有效衰减长度；3)改变所述探测器的内壁反射区的大小；重复步骤2)，测量光在所述探测器中的有效衰减长度；重复测量得到不同大小反射区对应的有效衰减长度；4)根据公式λ
’
＝1/(1/λ
‑
ln(f1*(1
‑
ε))/L)拟合得到所述探测器中待测介质的吸收长度λ和所述探测器反射区内壁的反射率f1；其中，λ
’
为所述数据处理单元根据所采集光信号波形拟合得到的光在不同大小反射区中的有效衰减长度，ε为不同反射区域大小时对应的所述开口区域的面积与反射区域内壁面积的比值，L为光在不同大小反射区内的单次反射平均光程。2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述探测器的反射区域大小可调节。3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述微孔、开口区域在反射面上。4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，单次反射平均光程L可通过4*(反射区域体积)/(反射区域内壁面积)计算，也可以通过模拟得到或实际测量。5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述数据处理单元采用N0*e
‑
t/τ
指数拟合所采集光信号大小随时间变化的波形得到光子数随时间的衰减因子τ，将该衰减因子τ乘以光速，得到光子在所述探测器里的有效衰减长度；或者将采集的信号大小随时间变化的波形乘以光速...

【专利技术属性】
技术研发人员：李秀荣，陈明君，李凯，游晓浩，刘成，
申请(专利权)人：四川天府新区宇宙线研究中心，
类型：发明
国别省市：