ХРОНОГРАФИЧЕСКИЙ ЭЛЕКТРОННО-ОПТИЧЕСКИЙ РЕГИСТРАТОР С КАЛИБРОВКОЙ ВРЕМЕННОЙ РАЗВЕРТКИ

Предлагаемая полезная модель относится к области электронной техники и может быть использована для измерений и исследований импульсных инфракрасных, видимых или ультрафиолетовых излучений, сопровождающих быстропротекающие процессы, например, при проведении физических измерений в ядерной физике, измерений параметров плазмы, лазерных излучений и т.д.
Известен хронографический электронно-оптический регистратор (ЭОР) с калибровкой временной развертки (1), в котором на вращательном колесе установлены жгуты, состоящие из оптических волокон, причем один из жгутов располагается так, что принимает световой импульс от источника света и передает полученный свет в щель хронографического электронно-оптического регистратора. В зависимости от того, на какой жгут направляется свет, на экране электронно-оптического преобразователя (ЭОП) создаются 10 световых импульсов, разделенных временными интервалами 50; 100; 200; 500; 1000 пс соответственно. Устройство (1) сложно в изготовлении, требует калибровки оптических волокон и практически непригодно для калибровки развертки длительностью, большей 1 мкс (для длительности развертки равной 1 мкс разность длин оптических волокон должна быть 200 м).
Калибровка временной развертки хронографических ЭОР с помощью лазера (2, 3 - разработки ФГУП НИИИТ) оправдана при исследовании оптических процессов пико- и фемтосекундного диапазона. Сложность и большая цена лазера - следующий недостаток устройства (3). Кроме того, даже в случае необходимости в ЭОР невозможно осуществить калибровку развертки длительностью более 1 нс.
Известно времяанализирующее устройство (4 - разработка ФГУП НИИИТ) для регистрации быстропротекающих процессов, сопровождающихся мягким рентгеновским излучением (другой класс приборов), в котором калибровка осуществляется с помощью накального источника электронов с модулятором, расположенного в первой секции ЭОПа. Использование накального источника электронов в оптическом ЭОП приведет к его паразитной засветке.
Наиболее близким техническим решением к предлагаемой полезной модели является электронно-оптический регистратор световых импульсов (5 - разработка ФГУП НИИИТ), содержащий ЭОП, в корпусе которого вдоль оси расположены фотокатод, ускоряющий и фокусирующий электроды, анод, подключенные к высоковольтному
источнику питания, пластины гашения, подключенные к выходу блока гашения, горизонтальные отклоняющие пластины, подключенные к выходу блока развертки, экран, выполненный на волоконоо-оптической пластине (ВОП), блок входной оптики, расположенный перед фотокатодом ЭОПа, усилитель-формирователь, вход которого является входом ПУСК ЭОР, а выходы - подключены соответственно ко входам блоков развертки и гашения.
Устройство (5) используется для регистрации импульсных световых излучений в широком диапазоне длительностей разверток от 1,0 не до 100 мкс и поэтому имеет широкую область применения. Недостатком его является отсутствие возможности калибровки временной оси регистратора, что приводит к большой погрешности измерений временных параметров светового импульса (от ±5% на длинных развертках до ±20% на коротких развертках).
Техническим результатом предлагаемого устройства является снижение погрешности временных измерений при обеспечении простоты калибровки.
Технический результат в хронографическом электронно-оптическом регистраторе, содержащем ЭОП, в корпусе которого вдоль оси расположены фотокатод, ускоряющий и фокусирующий электроды, анод, подключенные к высоковольтному источнику питания, пластины гашения, подключенные к выходу блока гашения, горизонтальные отклоняющие пластины, подключенные к выходу блока развертки, экран, выполненный на ВОП, блок входной оптики, расположенный перед фотокатодом ЭОП, усилитель-формирователь, вход которого является входом ПУСК ЭОР, а выходы - подключены соответственно ко входам блоков развертки и гашения, достигается тем, что в ЭОП введены вертикальные отклоняющие пластины меандрового типа и диафрагма, расположенные между анодом и горизонтальными отклоняющими пластинами, в ЭОР введены соединенный с вертикальными отклоняющими пластинами блок электрических калибровочных меток и, установленный перед блоком входной оптики, блок импульсного подсвета точки фотокатода, вход которого соединен со входом ПУСК ЭОР, выходы - соединены соответственно со входом пуск калибровка блока калибровочных меток и входом ПУСК ЭОР усилителя-формирователя, причем в процессе калибровки Тм≥1,1; Тр≤Тп, где Тм - время действия калибровочных меток, Тр - длительность развертки, Тп - время действия импульса подсвета точки фотокатода, импульс подсвета точки фотокатода и подача электрических калибровочных меток осуществляют одновременно с подачей напряжения развертки.
-9
-3
Сущность предложения заключается в том, что регистрация импульсного светового излучения производится в том же измерительном тракте, что и калибровка временной оси (длительности развертки ЭОР), непосредственно после калибровки. Калибровка осуществляется без использования дорогостоящего лазера и другого оборудования и в большом диапазоне длительностей разверток (1.10-1.10).
Блок-схема предлагаемого хронографического электронно-оптического регистратора представлена на фигуре 1, На фигуре 2 представлена временная диаграмма записи калибровочных меток на экране ЭОР.
Регистратор содержит ЭОП 1, элементы ЭОПа: фотокатод 2, ускоряющий электрод 3, фокусирующий электрод 4, первый анод 5, пластины гашения 6, первая диафрагма 7, вертикальные отклоняющие пластины 8, вторая диафрагма 9, горизонтальные отклоняющие пластины 10, второй анод 11, люминисцентный экран 12, выполненный на ВОП; блоки ЭОР: усилитель яркости 13, фотокамера [ПЗС-камера] 14, блок переноса изображения 15, блок импульсного подсвета 16, высоковольтный источник питания 17, блок гашения 18, усилитель-формирователь 19, генератор развертки 20, блок калибровочных меток 21, генератор электрических импульсов 22 (в формуле не участвует). Диафрагма 9, введенная в ЭОП, и установленная между вертикальными и горизонтальными отклоняющими пластинами, служит для исключения их взаимного влияния.
В регистраторе используется разработанный и изготовленный в ФГУП НИИИТ электронно-оптический преобразователь - ЭОП 1, имеющий вертикальные отклоняющие пластины 8 типа "меандр" [полоса пропускания ~5 ГГц; чувствительность отклонения ~0,014 мм/В], и горизонтальные отклоняющие (разверточные) пластины 10 конденсаторного типа.
Кроме того, в регистраторе используются блоки, реализованные по известным схемам на современной элементной базе:
- усилитель-формирователь 19, выполненный на базе одновибратора с пороговым элементом на входе, на туннельном диоде;
- блок гашения 18, выполненный на базе полевого транзистора, формирующего импульс гашения луча ЭОП с задержкой, превышающей максимальную длительность развертки, и длительностью, превышающей время обратного хода развертки;
- генератор развертки 20, содержащий эмиттерные повторители, усилительные каскады на полевых транзисторах, выходные каскады отрицательной и положительной фазы развертывающего напряжения на IGВТ-транзисторах и обострителях фронтов на диодах с
резким восстановлением обратного сопротивления, L, R, C формирователи длительностей разверток;
- высоковольтный источник питания 17, содержащий модули питания фирмы "TRACO", обеспечивает питание фотокатода 2, ускоряющего электрода 3, фокусирующего электрода 4 и анода 5 ЭОП 1;
- фотокамера или ПЗС-камера 14 (блок считывания световых изображений, использующий ПЗС-матрицу) - разработка и изготовление ФГУП НИИИТ;
- блок входной оптики, содержащий два объектива;
- усилитель яркости, выполненный на базе ЭОП типа ЭПМ61Г.
В предлагаемом устройстве для калибровки временной оси хронографического электронно-оптического регистратора используется блок 21 калибровочных меток, имеющий, как минимум, один автогенератор синусоидальных или прямоугольных электрических колебаний с известными временными интервалами известной частоты, работающий, как правило, в импульсном режиме. Амплитуда электрических колебаний автогенератора определяется чувствительностью отклонения вертикальных отклоняющих пластин 8 и отклонением электронного луча на экране 13 ЭОПа 1.
В предлагаемом устройстве, имеющем ЭОП, чувствительность отклонения которого равна 0,012 мм/В, для отклонения на экране электронного луча на 2 мм необходима амплитуда электрических колебаний автогенератора ≥167 В.
Частота автогенератора блока 21 калибровочных меток выбирается из условия записи ~5-ти периодов электрических колебаний на рабочей длине установленной развертки регистратора (не менее 10 пересечений на длине развертки). Так например, для калибровки разверток длительностью 1; 10; 100; 1000 нc необходимо иметь 4 автогенератора с частотами: 5 ГГц; 500 МГц; 50 МГц; 5 МГц соответственно. Количество автогенераторов блока калибровочных меток определяется диапазоном длительностей разверток Тр хронографического электронно-оптического регистратора. Автогенераторы СВЧ-диапазона (до 5 ГГц) могут быть выполнены на металлокерамических лампах, включенных по схеме с общей сеткой, с колебательными системами на четверть-волновых короткозамкнутых отрезках коаксиальных линий, работающих в импульсном режиме с катодной модуляцией формирующих, таким образом, радиоимпульсы длительностью Тм. Такие автогенераторы СВЧ-диапазона имеют относительную нестабильность частоты не более ±0,1%.
Автогенераторы с частотой электрических колебаний менее 100 МГц могут быть выполнены на базе транзисторных автогенераторов с кварцевой стабилизацией частоты и
выходных каскадах на высоковольтных полевых транзисторах, работающих в ключевом режиме и формирующих калибровочные метки длительностью Тм. Такие автогенераторы имеют нестабильность частоты не более 0,01%.
Блок 16 импульсного подсвета, формирует для подсветки точки однократный световой поток фотокатода длительностью Тп равной или более длительности установленной развертки Тр, и, кроме того, синхроимпульсы: СИНХРОИМПУЛЬС I, запускающий блок 21 калибровочных меток; СИНХРОИМПУЛЬС II, поступающий на усилитель-формирователь 19, выходной сигнал которого запускает генератор 20 развертки, задержанный относительно импульса ПУСК на время установления амплитуды импульса светового потока и амплитуды калибровочных меток. Синхроимпульсы формируются одновибраторами.
3
Опыт показывает, что, как для визуального наблюдения, так и для записи на фотопленку или ПЗС-камеру калибровочных меток с экрана ЭОП ЭОР, размер светящегося на экране пятна должен быть 0,2-0,3 мм. Соответственно размер подсвеченной точки фотокатода ЭОП 1 должен быть диаметром 0,2-0,3 мм для случая, если электронно-оптическое увеличение ЭОП равно 1. Таким образом, размер источника света должен быть 0,2-0,3 мм. Известные импульсные источники света (светодиод и др.) имеют размер светящегося тела, как правило, больше 0,2-0,3 мм и угол излучения света >10 град. В связи с этим в блоке 16 непосредственно после источника света установлена диафрагма с размером отверстия диаметром 0,2-0,3 мм. Основным элементом блока импульсного подсвета является импульсный источник света. Его выбор определяется спектральным диапазоном регистрируемого излучения и спектральной чувствительностью ЭОП 1, коэффициентом преобразования ЭОП 1 и усилителя яркости 13, а также диапазоном длительностей разверток ЭОР и чувствительностью ПЗС-камеры. Кроме того, при использовании блока импульсного подсвета для калибровки разверток большого диапазона длительностей разверток (Тр max / Тр min > 10) необходимо регулировать величину светового потока источника света для исключения фоновой засветки экрана ЭОП.
Для подсветки точки фотокатода ЭОП 1 при калибровке длительностей разверток микросекундного диапазона можно использовать в качестве источника света сверхяркий светодиод, работающий в импульсном режиме, в требуемом диапазоне излучений. Величину светового потока и его длительность можно регулировать амплитудой и длительностью импульсного прямого тока светодиода. Такой источник импульсного тока можно выполнить на базе одновибратора с усилителем тока на выходе, имеющего регулировку длительности и амплитуды выходного тока. Величина светового потока,
подсвечивающего точку фотокатода, обратно пропорциональна длительности калибруемой развертки, т.е. для самой короткой развертки ЭОР должна быть наибольшей. Для подсветки точки фотокатода ЭОП 1 при калибровке разверток наносекундного диапазона можно использовать импульсные фотоосветительные лампы, используемые в фотовспышках с малыми размерами тела свечения, например, лампу ФП2-0,015 с накопительным конденсатором в качестве источника энергии. Формируемый лампой световой импульс имеет длительность не менее 1 мкс по уровню 0,5. Амплитуда светового потока регулируется как напряжением питания, так и емкостью накопительного конденсатора.
Хронографический электронно-оптический регистратор с калибровкой развертки работает следующим образом.
Перед началом эксперимента по исследованию быстропротекающего процесса, сопровождающего оптическим излучением, осуществляется калибровка длительности установленной развертки регистратора. Длительность развертки устанавливается оператором в зависимости от длительности ожидаемого светового импульса.
Высоковольтный источник питания 17 подает на ЭОП 1 высоковольтные напряжения.
Блок импульсного подсвета 16 запускается от внешнего генератора импульсов 22 однократным импульсом ПУСК (фигура 2а). Блок 16 формирует оптическое излучение длительностью Тп (фигура 2б), и синхроимпульсы СИНХРОИМПУЛЬС I, синхроимпульс II (фигуры 2в, 2г).
СИНХРОИМПУЛЬС I запускает блок калибровочных меток 21, который формирует калибровочные метки длительностью Тм (фигура 2д), поступающие на вертикально отклоняющие пластины 8.
СИНХРОИМПУЛЬС II запускает усилитель-формирователь 19, который в свою очередь запускает генератор развертки 20. Генератор развертки 20 формирует парафазные пилообразные напряжения длительностью Тр (фигура 2е), поступающие на горизонтально отклоняющие пластины 10. По окончании развертки усилитель-формирователь 19 запускает блок гашения 18, формирующий импульс гашения (фигура 2ж), поступающий на пластины гашения 6.
Импульс света с блока импульсного подсвета 16 поступает на блок переноса изображения 15, который формирует на фотокатоде 2 ЭОПа световое изображение диаметром 0,1-0,2 мм.
Под действием импульса света фотокатод 2 эммитирует электроны, которые ускоряются, фокусируются, отклоняются по вертикальной оси напряжением блока
калибровочных меток 21, отклоняются по горизонтальной оси напряжением развертки генератора развертки 20 и на люминисцентном экране 12 наблюдается калибровочная синусоида.
Изображение калибровочных меток усиливается усилителем яркости 13 фотографируется фотокамерой 14 на фотопленку или считывается ПЗС-камерой. После этого хронографический электронно-оптический регистратор готов к регистрации исследуемого процесса, световое изображение которого в дальнейшем фиксируется на ту же фотопленку или считывается ПЗС-камерой. В этом случае блок импульсного подсвета выключается и заменяется на микрометрическую щель, блок калибровочных меток выключается, на вход ПУСК ЭОР подают синхроимпульс с пускового детектора (на чертеже и в формуле не представлен) исследуемого светового излучения с учетом времени срабатывания ЭОР, длительности исследуемого процесса и установленной длительности развертки и производят регистрацию исследуемого светового излучения.
Обработку полученных результатов фотографирования проводят на инструментальном микроскопе, а результатов считывания ПЗС-камеры - на персональном компьютере. При этом достигается минимальная погрешность временных измерений, исключающая влияние временных дестабилизирующих факторов, таких как изменение условий эксплуатации, старение радиоэлементов и т.п.
Предлагаемое устройство, обладая достоинствами прототипа, имеет по сравнению с ним меньшую относительную погрешность временных измерений: δ=±0,3% (для прототипа погрешность временных измерений составляет от ±5% на длинных развертках до ±20% на коротких развертках). Это преимущество достигнуто благодаря проведению калибровки длительности развертки метками времени непосредственно перед экспериментом и в том же измерительном тракте. Предлагаемое устройство в отличие от аналогов не требует использования дорогостоящего оборудования.
ЛИТЕРАТУРА
1. Патент США №4435727 от 06.03.1984 г. «Способ и устройство для калибровки временной оси и линейности интенсивности хронографического регистратора».
2. Патент РФ №2250531 от 17 06.2003 г. «Способ калибровки временной развертки хронографических ЭО-регистраторов» - разработка ФГУП НИИИТ.
3. Патент РФ №2272333 от 30.08.2004 г. «Хронографический ЭО-регистратор с калибровкой временной развертки» - разработка ФГУП НИИИТ.
4. Патент РФ №1617613 от 10.09.1997 г. «Времяанализирующее устройство для регистрации быстропротекающих процессов» - разработка ФГУП НИИИТ.
5. Описание изобретения к авторскому свидетельству №1210605 от 30.12.1983 г. «Способ регистрации однократных световых изображений и устройство для его осуществления» - разработка ФГУП НИИИТ - прототип