Система для визуализации микроволнового излучения путем регистрации изображения инициированного микроволнового пробоя газа
SYSTEM FOR VISUALIZING MICROWAVE RADIATION BY RECORDING AN IMAGE OF AN INITIATED MICROWAVE GAS BREAKDOWN

Изобретение относится к системам для измерения параметров пучков электромагнитного (ЭМ) излучения диапазона сантиметровых (см), миллиметровых (мм) и субмиллиметровых (субмм) волн. Более конкретно, изобретение относится к системе для визуализации пространственного распределения интенсивности мощного электромагнитного излучения этих диапазонов с помощью микроволнового пробоя газа, инициированного поверхностью металлодиэлектрического экрана.
Электромагнитное излучение сантиметрового, миллиметрового и субмиллиметрового диапазонов длин волн, которое далее для краткости называется микроволновым излучением, широко используется в различных областях науки, техники, энергетики, медицины и т.д. В частности, мощное ЭМ излучение этих диапазонов находит применение в радиолокации, системах космической связи, используется для зондирования атмосферы и поверхности океана. Перспективной областью применения мощных электромагнитных волн см - субмм диапазонов является нагрев и диагностика плазмы в термоядерных реакторах с магнитным удержанием плазмы (токамаках, стеллараторах и т.д.). Для решения указанных выше, а также других прикладных задач, в настоящее время проводится разработка, усовершенствование и модификация источников и линий передачи мощного ЭМ излучения сантиметрового, миллиметрового и субмиллиметрового диапазонов длин волн. В связи с этим, необходимо совершенствование существующих и создание новых методов измерения характеристик ЭМ излучения этих диапазонов. В частности, это касается методов измерения пространственной структуры волновых пучков мощного микроволнового излучения. Удобным и эффективным методом измерения пространственной структуры пучков ЭМ излучения является их визуализация. Визуализация ЭМ излучения - это формирование такого пространственного распределения интенсивности свечения некоторого физического объекта, например, табло или экрана, в видимом или близком к нему диапазонах, которое совпадает или близко к профилю пространственного распределения интенсивности измеряемого пучка ЭМ излучения. Это распределение интенсивности оптического излучения может быть зарегистрировано человеческим глазом или с помощью стандартных оптических, инфракрасных (ИК) или ультрафиолетовых (УФ) систем регистрации изображений.
Известны способы визуализации пучков микроволнового излучения с помощью методов, основанных на регистрации картины нагрева плоского экрана под действием этого излучения. Тепловые методы, в которых в качестве термочувствительных экранов применяются тонкие пластины (подложки), покрытые люминофором, позволяют наблюдать картину нагрева экрана под действием микроволнового излучения в видимом диапазоне. В частности, известно устройство для визуализации пучка микроволнового излучения, действие которого основано на эффекте уменьшения интенсивности люминесценции при нагреве люминофора под действием этого излучения [1]. Такое устройство для визуального наблюдения и регистрации профиля электромагнитного излучения включает приемный экран, представляющий собой тонкую плоскую металлическую подложку на термоизолирующем основании, на которую нанесен слой термочувствительного люминофора, источник ультрафиолетового возбуждения, обеспечивающий свечение люминофора, а также блок регистрации изображений, которым может являться фото- или телекамера, либо глаза наблюдателя. Металлическая подложка поглощает микроволновое излучение, и это приводит к нагреву экрана. Приемный экран размещен в кассете, причем кассета снабжена нагревателем с регулятором, поддерживающим такую начальную температуру, которая обеспечивает максимальный термографический эффект люминофора. Профиль вариации интенсивности люминесценции экрана близок к профилю интенсивности микроволнового пучка, падающего на экран. Недостатками устройства является его сложность, хрупкость и невысокая лучевая прочность люминофорного экрана. Кроме того возникает неоднородность люминесценции экрана под действием УФ излучения, и рабочая апертура экрана имеет небольшие размеры. Минусом также является то, что необходимо нагревать люминофорный экран, термостатировать его, устранять влияние конвекции воздуха на распределение температуры по поверхности экрана.
Известен метод определения пространственного распределения интенсивности микроволнового излучения по нагреву под его воздействием экранов из диэлектрических материалов (бумаги, картона, поливинилхлорида, дерева и т.д.). В устройстве, реализующем известный метод, пространственное распределение изменения температуры экрана определяется с помощью ИК камеры (тепловизора) [2, 3]. Недостатком подобных устройств является высокая стоимость чувствительных инфракрасных камер, которые используются для регистрации картины теплового воздействия микроволнового излучения. Кроме того, недостатком всех устройств, использующих тепловые методы визуализации ЭМ волн, как основанных на нагреве экранов из диэлектриков, так и нагреве люминофорных экранов, является низкое временное разрешение, равное в лучшем случае 10 мс. Кроме того, отрицательное влияние на качество изображений пространственного распределения микроволнового излучения, получаемых с помощью таких устройств, оказывают искажения, связанные с влиянием теплопроводности. Они нарастают с увеличением длительности импульса или длительности пачки импульсов микроволнового излучения, а также времени экспозиции ИК- или телекамеры. В частности, по этой причине устройства, основанные на тепловых методах, трудно использовать в режиме накопления при визуализации длинных пачек относительно коротких импульсов ЭМ излучении с высокой частотой повторения.
Известны способы и устройства для визуализации микроволнового излучения с помощью оптического излучения газоразрядной плазмы. Известен чувствительный способ визуализации мм волн с помощью оптического излучения плазмы газового разряда постоянного тока. В этом способе регистрируется двумерное распределение интенсивности оптического континуума, излучаемого однородным плоским слоем плазмы положительного столба разряда в ксеноне с примесью паров цезия (Cs-Xe разряд) при среднем давлении газа при воздействии на него исследуемого пучка мм излучения [4, 5]. При реализации этого способа в качестве устройства для создания слоя плазмы используется стеклянная газоразрядная трубка с кварцевыми окнами. Недостатками этого способа визуализации является сложность устройства, которое используется для создания плазменного слоя, необходимость нагрева и термостабилизации этого устройства при температуре около 100°С, а также небольшой размер рабочей апертуры. Из-за низкой лучевой прочности плазменного слоя этот способ может быть применен для визуализации только микроволнового излучения невысокой интенсивности, так как воздействие мощного мм излучения приводит к филаментации плазмы.
2
Известен способ для визуализации мощного микроволнового излучения с помощью оптического излучения плазмы самостоятельного микроволнового пробоя газа (СМПГ), создаваемого исследуемым пучком электромагнитных волн в открытом пространстве [6, 7]. Недостатки этого способа визуализации микроволнового излучения связаны со свойствами такой плазмы. В случае СМПГ порог пробоя очень высокий, и составляет величину сотни кВт/см и более. При максимальной интенсивности микроволнового излучения ниже пробойной величины или при длительности импульса меньше времени развития микроволнового пробоя газа плазма не возникает, и в этом случае визуализация пучков микроволн данным способом невозможна. При высокой интенсивности микроволнового излучения, когда есть области пространства, где происходит микроволновый пробой газа, связь между параметрами плазмы СМПГ, в частности, интенсивностью ее оптического излучения, и интенсивностью ЭМ излучения является нелокальной и нестационарной. В частности, граница области, занятая плазмой, с высокой скоростью распространяется навстречу пучку ЭМ излучения, кроме того при давлении газа десятки торр и выше происходит филаментация плазмы СМПГ [8-10]. По этим причинам с помощью оптического излучения плазмы СМПГ удается зарегистрировать только грубую, искаженную картину пространственного распределения мощного ЭМ излучения, причем в достаточно узких диапазонах его интенсивностей и длительностей импульса. Это является недостатком этого способа визуализации микроволнового излучения.
Известно газоразрядное устройство для визуализации микроволновых пучков, представляющее собой многоэлементное табло из индикаторных неоновых лампочек. Давление неона в лампочках составляет несколько торр. Их размер порядка 1 см. Такое табло размещается в области, где нужно провести измерение пространственной структуры микроволнового пучка. Воздействие импульса микроволнового излучения приводит к пробою газа в тех индикаторных лампочках, которые расположены в области, где интенсивность ЭМ излучения превышает пороговое значение. При воздействии достаточно мощного микроволнового импульса на такое многоэлементное табло на нем высвечивается приблизительная картина пространственного распределения интенсивности микроволн в плоскости, где расположено это табло [11]. Известен вариант этого способа визуализации импульсного микроволнового излучения, отличающийся от описанного выше способа тем, что на каждую неоновую лампочку подается постоянное напряжение, величина которого ниже напряжения ее зажигания, но выше напряжения горения. В устройстве, реализующем этот способ, воздействие импульса микроволнового излучения достаточной интенсивности обеспечивает переход части неоновых лампочек, расположенных в области, где интенсивность микроволнового излучения превышает порог пробоя, из ждущего режима в режим горения стационарного газового разряда постоянного тока. Этим достигается технический результат - визуализация и фиксация во времени пространственного распределения интенсивности импульсного микроволнового излучения [12]. Недостатками устройств визуализации микроволнового излучения, использующих табло из неоновых лампочек, являются, во-первых, невысокое пространственное разрешение, которое ограничено размером элементов газоразрядного индикатора, и составляет величину порядка 1 см, во-вторых, разный порог возникновения пробоя в отдельных элементах матрицы, который вызван различием характеристик лампочек, в-третьих, отсутствие возможности менять и оптимизировать состав и давление газа в индикаторных лампочках. К этим недостаткам также добавляется негативное влияние на результаты измерений отражения и рассеяния ЭМ излучения элементами такого табло.
Известна система визуализации мощного микроволнового излучения с помощью оптического излучения инициированного поверхностью микроволнового пробоя газа (ИПМПГ) [13]. В этой системе для инициации микроволнового пробоя воздуха при атмосферном давлении используется металлодиэлектрический экран (МД), который представляет собой диэлектрическую пленку толщиной 100 мкм с хаотически наклеенными на нее частицами из стали с характерным размером 100 мкм. Прозрачность экрана в видимом свете равна 20%. Изображение экрана проецируется на объектив фотоаппарата тремя зеркалами.
Наиболее близкой к предлагаемой авторами системе является система визуализации мощного микроволнового излучения с помощью оптического излучения инициированного поверхностью микроволнового пробоя газа, известная из источника [14]. Для инициации микроволнового пробоя воздуха при атмосферном давлении используется металлодиэлектрический экран, который представляет собой диэлектрическую пластину, на одну плоскую поверхность которой хаотически наклеены металлические частицы с характерным размером сотни микрон. Экран располагается таким образом, что ЭМ волна падает на него со стороны поверхности, на которую наклеены металлические частицы. В области, где воздействует мощный микроволновый пучок, в слое газа вблизи экрана образуется плазма ИПМПГ, свечение которой регистрируется зрительно или с помощью устройства регистрации оптического изображения (телекамеры). Затем информация поступает в устройство обработки данных. Пороговая интенсивность микроволнового излучения, при которой возникает газоразрядная плазма над металлодиэлектрическим экраном, значительно ниже порога самостоятельного микроволнового пробоя газа или порога пробоя на диэлектрическом экране без металлических частиц [15, 16]. Снижение порога возникновения плазмы при микроволновом пробое газа, инициированном МД экраном, по сравнению с разрядом в свободном пространстве или разрядом вблизи поверхности диэлектрика связано с усилением электрического поля электромагнитной волны вблизи острых углов металлических частиц, расположенных на поверхности экрана. Недостатками устройств, описанных в [13, 14], являются относительно высокий порог инициированного микроволнового пробоя воздуха при атмосферном давлении, влияние изменения влажности и чистоты воздуха на величину порога и характеристики ИПМПГ, отсутствие возможности регулировать и оптимизировать состав и давление газа, влияние свойств экрана-инициатора, в частности, распределения металлических частиц по поверхности диэлектрика, на картину свечения разряда. Кроме того, такие устройства применимы только для визуализации пучков микроволнового излучения при длительности импульса менее 1 мкс, так как за это время граница области, занятой плазмой, не успевает заметно сместиться от поверхности МД экрана.
Задачей, на решение которой направлено изобретение, является разработка системы для визуализации микроволнового излучения, которая, используя изображение плазмы, возникающей в результате инициированного поверхностью МД экрана пробоя газа, позволяет расширить диапазоны по интенсивности, длительности импульса и частоте визуализируемого микроволнового излучения, а также повысить точность визуализации пространственной структуры пучков этого микроволнового излучения.
Технический результат в разработанной системе для визуализации микроволнового излучения путем регистрации изображения плазмы, возникающей в результате пробоя этим микроволновым излучением газа, который инициирован рабочей поверхностью металлодиэлектрического экрана, достигается за счет того, что предлагаемая система, как и прототип, содержит металлодиэлектрический экран, представляющий собой плоскую диэлектрическую подложку, на одну поверхность которой нанесены частицы металла, устройство регистрации изображения плазмы в видимом или близком к нему диапазонах и устройство обработки данных.
Новым в разработанной системе для визуализации микроволнового излучения является то, что металлодиэлектрический экран помещен в герметичную, наполненную рабочим газом камеру с входным окном, выполненным из прозрачного для микроволнового излучения материала, при этом входное окно расположено перед передней, являющейся рабочей, поверхностью металлодиэлектрического экрана на расстоянии от него, по крайней мере, в 5 раз меньше характерного поперечного размера пучка визуализируемого микроволнового излучения, к тому же, по крайней мере, одна из частей камеры выполнена из материала, прозрачного в видимом или близком к нему диапазонах.
В первом частном случае реализации разработанной системы для визуализации микроволнового излучения рабочим газом является инертный газ или смесь инертных газов.
Во втором частном случае реализации разработанной системы для визуализации микроволнового излучения в состав рабочего газа входят легко ионизуемые вещества.
В третьем частном случае реализации разработанной системы для визуализации микроволнового излучения камера является разборной.
В четвертом частном случае реализации разработанной системы для визуализации микроволнового излучения расстояние между входным окном камеры и металлодиэлектрическим экраном меньше 1 см.
В пятом частном случае реализации разработанной системы для визуализации микроволнового излучения толщина входного окна камеры, по крайней мере, в 5 раз меньше длины волны визуализируемого микроволнового излучения.
В шестом частном случае реализации разработанной системы для визуализации микроволнового излучения толщина входного окна камеры меньше 0,2 мм.
В седьмом частном случае реализации разработанной системы для визуализации микроволнового излучения частью камеры, выполненной из материала, прозрачного в видимом или близком к нему диапазонах, является входное окно.
В восьмом частном случае реализации разработанной системы для визуализации микроволнового излучения диэлектрическая подложка выполнена из материала, прозрачного в видимом или близком к нему диапазонах.
В девятом частном случае реализации разработанной системы для визуализации микроволнового излучения частью камеры, выполненной из материала, прозрачного в видимом или близком к нему диапазонах, является корпус камеры.
В десятом частном случае реализации разработанной системы для визуализации микроволнового излучения частью камеры, выполненной из материала, прозрачного в видимом или близком к нему диапазонах, является стенка камеры, расположенная за задней поверхностью металлодиэлектрического экрана.
В одиннадцатом частном случае реализации разработанной системы для визуализации микроволнового излучения частью камеры, выполненной из материала, прозрачного в видимом или близком к нему диапазонах, является дополнительное окно, расположенное за задней поверхностью металлодиэлектрического экрана.
В двенадцатом частном случае реализации разработанной системы для визуализации микроволнового излучения дополнительное окно выполнено из диэлектрической пленки.
В тринадцатом частном случае реализации разработанной системы для визуализации микроволнового излучения дополнительно введено устройство поступательного перемещения камеры в плоскости, параллельной рабочей поверхности металлодиэлектрического экрана.
В четырнадцатом частном случае реализации разработанной системы для визуализации микроволнового излучения камера установлена на валу или валках с возможностью ее вращения вокруг оси, перпендикулярной рабочей поверхности металлодиэлектрического экрана.
В пятнадцатом частном случае реализации разработанной системы для визуализации микроволнового излучения металлодиэлектрический экран установлен на валу с возможностью его вращения вокруг оси, перпендикулярной рабочей поверхности экрана.
Сущность изобретения поясняется следующими фигурами.
На фиг. 1 изображена схема системы для визуализации микроволнового излучения, в которой регистрация изображения плазмы ведется через входное окно камеры.
На фиг. 2 изображен чертеж разборной камеры с цельным корпусом.
На фиг. 3 изображен чертеж неразборной камеры с цельным корпусом.
На фиг. 4 изображена схема системы для визуализации микроволнового излучения, в которой регистрация изображения плазмы ведется через подложку МД экрана и заднюю стенку корпуса камеры или корпус камеры или дополнительное окно, выполненные из материала, прозрачного в видимом или близком к нему диапазонах.
На фиг. 5 изображен чертеж камеры со стенкой, выполненной из материала, прозрачного в видимом или близком к нему диапазонах, расположенной за задней поверхностью МД экрана.
На фиг. 6 изображен чертеж камеры с двумя окнами: входным и дополнительным, расположенным за задней поверхностью МД экрана и выполненным из материала, прозрачного в видимом или близком к нему диапазонах.
На фигуре изображен чертеж камеры с двумя окнами из пленки, в камере установлен МД экран с подложкой из пленки, причем дополнительное окно и подложка экрана выполнены из материала, прозрачного в видимом или близком к нему диапазонах.
На фиг. 8 изображен чертеж камеры, которая закреплена на валу, и может вращаться вокруг оси, перпендикулярной рабочей поверхности МД экрана.
На фиг. 9 изображен чертеж камеры, которая установлена на валки, и может вращаться вокруг оси, перпендикулярной рабочей поверхности МД экрана.
На фиг. 10 изображен чертеж камеры с установленным на валу МД экраном, который может вращаться внутри камеры вокруг оси, перпендикулярной его рабочей поверхности.
На фиг. 11 показано двумерное распределение изменения энергетической экспозиции света, излучаемого плазмой инициированного поверхностью МД экрана микроволнового пробоя газа при мощности излучения гиротрона 250 кВт и временной задержке 30 мкс.
На фиг. 12 показан профиль пучка мм волн в горизонтальном направлении, измеренный с помощью предлагаемой автором системы визуализации и термографическим методом.
На фиг. 1 показана схема системы для визуализации микроволнового излучения путем регистрации изображения плазмы, возникающей в результате пробоя этим микроволновым излучением газа, который инициирован рабочей поверхностью металлодиэлектрического экрана. Система включает в себя герметичную камеру 1 с металлодиэлектрическим экраном внутри, устройство регистрации изображений 2, устройство обработки данных 3, генератор сигналов синхронизации 4, а также систему напуска рабочего газа 5. На фиг. 1 также показан источник микроволнового излучения 6. Герметичная камера 1 закреплена на юстировочном столе 7, который может перемещаться по оптической скамье 8. Юстировочный стол 7 позволяет поворачивать камеру 1 по азимуту и углу места и поступательно перемещать ее в горизонтальной плоскости и в вертикальном направлении. Устройство регистрации изображений 2 установлено на втором юстировочном столе 9, с помощью которого оно может поворачиваться по азимуту и углу места, а также поступательно перемещаться в горизонтальной плоскости и в вертикальном направлении. Второй юстировочный стол 9 размещен на оптической скамье 8 с возможностью перемещения по ней. Устройство регистрации изображений 2 расположено перед входным окном (по п. 8 формулы изобретения) камеры 1 вне пучка микроволнового излучения. В качестве устройства регистрации изображений 2 может использоваться, например, телекамера с ПЗС (прибор с зарядовой связью) или КМОП (комплементарная структура металл-оксид-полупроводник) светочувствительной матрицей. Генератор сигналов синхронизации 4 соединен с источником микроволнового излучения 6 и с устройством регистрации изображений 2, которое, в свою очередь, соединено с устройство обработки данных 3.
Система напуска рабочего газа 5, включающая в себя баллон с рабочим газом 10, газовую магистраль 11 и мановакууметр 12, присоединена к герметичной камере 1.
На фиг. 2 показан чертеж герметичной камеры 1 с цельным корпусом 13 по п. 4 формулы изобретения. В частном случае корпус 13 камеры 1 имеет цилиндрическую форму. Глубина корпуса 13 камеры 1 обычно составляет 1-2 см. Корпус 13 камеры 1 изготовлен из металла или прочного твердого диэлектрического материала. Внутри камеры 1 установлен металлодиэлектрический экран 14, представляющий собой плоскую диэлектрическую подложку, на одной поверхности которой расположены мелкие частицы металла. Частицы металла могут иметь случайную форму, например, это могут быть мелкие опилки. Они также могут иметь форму тонких плоских фигур, например, форму узких прямых полосок или звезд с тремя или большим числом лучей с острыми вершинами. В качестве подложки может быть использован лист твердого диэлектрического материала (см. фиг. 2), например, оргстекла, или диэлектрическая пленка, например, из лавсана. Частицы металла могут располагаться на поверхности подложки в хаотическом Порядке или периодически. Они могут быть приклеены к поверхности подложки или нанесены на нее обычными гальваническими, химическими и литографическими методами, а также методом напыления. Характерный размер металлических частиц и расстояние между ними, например, может быть порядка сотен микрон. Предпочтительно, чтобы диаметр МД экрана 14 превосходил ширину микроволнового пучка, профиль которого предполагается измерить, по меньшей мере, в два раза. МД экран 14 может быть установлен в камеру 1 так, чтобы его задняя поверхность, на которой нет металлических частиц, находилась вплотную к задней стенке камеры 1 (см. фиг. 2). МД экран 14 также может быть установлен в камеру 1 так, чтобы между его задней поверхностью и стенкой корпуса 13 камеры 1 имелся зазор (не показано). Этот зазор может быть заполнен слоем материала, который хорошо поглощает и слабо отражает микроволновое излучение (например, графитом и/или карбидом кремния, которые импрегнированы в полиуретановую пену или резину). У камеры 1 имеется входное окно 15 из прозрачного для микроволнового излучения материала, которое расположено перед рабочей поверхностью МД экрана 14. Предпочтительно, чтобы толщина входного окна 15 была много меньше длины волны визуализируемого микроволнового излучения. В этом случае отражение микроволнового пучка от входного окна 15 мало, а искажением пучка микроволн при прохождении через входное окно 15 можно пренебречь.
В частном случае осуществления изобретения по п. 8 формулы материал, из которого изготовлено входное окно 15, прозрачен в видимом или близком к нему диапазонах. Входное окно 15 крепится к корпусу 13 с помощью фланца 16. Герметичность этого соединения обеспечивается с помощью резиновой прокладки 17. Для напуска рабочего газа в камеру 1 и его выхода в атмосферу имеются, соответственно, входной вакуумный кран 18 и выходной вакуумный кран 19, которые установлены в отверстия задней стенки корпуса 13 камеры 1. Для беспрепятственного прохождения рабочего газа внутрь камеры 1 в МД экране 14 выполнены два сквозных отверстия 20. Входной кран 18 соединен с газовым баллоном 10, наполненным рабочим газом, с помощью газовой магистрали 11. Для измерения давления газа в камере 1 используется мановакууметр 12 (см. фиг. 1). В системе визуализации микроволнового излучения, приведенной на фиг. 1, входное окно 15 камеры 1 изготовлено из материала, прозрачного для микроволнового излучения, а также излучения видимого и близкого к нему диапазонах. То есть через одно и то же входное окно 15 микроволновое излучение попадает в камеру 1 и регистрируется изображение плазмы ИПМПГ. В этом случае устройство регистрации изображений 2 должно быть расположено так, чтобы элементы источника микроволнового излучения 6 и электродинамического тракта не заслоняли от него плазму ИПМГП.
Описанная выше герметичная камера 1 (по п. 4 формулы) является разборной. Это позволяет легко производить замену элементов ее конструкции (например, МД экрана 14, входного окна 15, входного и выходного вакуумных кранов 18 и 19), при необходимости дополнительно помещать в камеру 1 микроволновый поглотитель и другие элементы и изменять их положение в камере 1. Герметичная камера 1 также может быть неразборной (см. чертеж на фиг. 3). Элементы неразборной камеры 1, в частности, МД экран 14, входное окно 15, фланец 16 могут быть герметично приклеены к цельному корпусу 13 камеры 1 и друг к другу, например, клеем К-400. Неразборная камера 1 является более простой в изготовлении, легкой и дешевой, чем разборная. Для большего упрощения и удешевления системы вместо вакуумных кранов 18 и 19 в сквозные отверстия 20 на задней стенке корпуса 13 камеры 1 могут быть вклеены или приварены трубки 21, например, из стекла или металла, на которые надевают пластиковые газовые трубки. Эти трубки можно перекрыть, например, с помощью зажимов.
Схема системы визуализации пучка микроволнового излучения с помощью оптического излучения плазмы ИПМПГ в частном случае реализации согласно п.п. 10-12 формулы представлена на фиг. 4. По сравнению с системой на фиг. 1 устройство регистрации изображений 2, установленное на втором юстировочном столе 9, расположено сзади камеры 1. В таком варианте реализации системы подложка МД экрана 14 выполнена из материала, прозрачного в видимом или близком к нему диапазонах (п. 9 формулы). Предпочтительно, чтобы доля единицы площади рабочей поверхности МД экрана 14, которая занята металлическими частицами, не превышала 80%. При этом для регистрации изображения плазмы либо корпус 13 камеры 1 (по п. 10 формулы), либо стенка 22 камеры 1, расположенная за задней поверхностью МД экрана 14 (по п. 11 формулы, см. фиг.5), либо дополнительное окно 26, расположенное за задней поверхностью МД экрана 14 (по п. 12 формулы, см. фиг. 6) выполнены из материала, прозрачного в видимом или близком к нему диапазонах. В частном случае оптическая ось устройства регистрации изображений 2 совпадает с осью камеры 1 и осью микроволнового пучка (см. фиг. 4), что упрощает обработку изображений плазмы. Система визуализации микроволнового излучения, приведенная на фиг. 4 (по п.п. 10-12 формулы), позволяет проводить измерения профиля пучка непосредственно на выходе из источника микроволнового излучения 6 или на небольшом расстоянии от него, а также вблизи элементов электродинамического тракта для транспортировки микроволнового излучения.
На фиг. 5 показан чертеж герметичной камеры 1 с прозрачной задней стенкой 22. Корпус 13 камеры 1 имеет форму кольца, к которому с помощью фланца 16 прикреплено входное окно 15 и с помощью фланца 23 прикреплена прозрачная задняя стенка 22. Задняя стенка 22 камеры 1 имеет форму диска и изготовлена из твердого, прозрачного материала, например, стекла или оргстекла, достаточной толщины. Герметичность соединения задней стенки 22 с корпусом 13 обеспечивается с помощью резиновой прокладки 24. Металлодиэлектрический экран 14 может быть установлен в камеру 1 так, чтобы его задняя поверхность находилась вплотную к задней стенке 22 камеры 1 (см. фиг. 5). МД экран 14 также может быть установлен в камеру 1 так, чтобы между его задней поверхностью и задней стенкой 22 камеры 1 имелся зазор. Для напуска газа в камеру 1 и его выхода в атмосферу с внешней стороны камеры 1 установлены два вакуумных крана 18 и 19. Краны 18 и 19 установлены, например, в резьбовые металлические вставки 25, которые расположены в отверстиях в задней стенке 22 камеры 1. В другом частном случае на внутреннюю плоскую поверхность задней стенки 22 камеры 1 нанесены частицы металла, то есть она одновременно является и окном, прозрачном в видимом или близком к нему диапазонах, и МД экраном.
На фиг. 6 показан чертеж разборной камеры 1 с двумя окнами. Дополнительное окно 26 устанавливается в отверстие в задней стенке 22 корпуса 13 камеры 1. Этим окном 26 может служить диск достаточной толщины из твердого, прозрачного материала, например, оргстекла, стекла, кварцевого стекла и т.д. Окно 26 крепится к корпусу 13 камеры 1 с помощью фланца 27. Герметичность соединения корпуса 13 с окном 26 обеспечивается с помощью резиновой прокладки 28. Дополнительное окно 26 камеры 1 также может играть роль подложки МД экрана 14, если на его внутреннюю плоскую поверхность нанести частицы металла.
Материалом для дополнительного окна 26 также может служить тонкая прозрачная пленка, например, из лавсана. На фигуре показан чертеж разборной камеры 1 с двумя окнами из тонкой прозрачной пленки. Дополнительное окно 26 из тонкой прозрачной пленки крепится к корпусу 13 с помощью фланца 27. Герметичность этого соединения обеспечивается с помощью резиновой прокладки 29. Использование пленки для дополнительного окна 26 позволяет уменьшить вес и стоимость камеры 1, а также увеличить ее диаметр. В камере 1 подложка 30 МД экрана 14 также изготовлена из тонкой прозрачной пленки. Эта подложка 30 крепится к корпусу 13 с помощью фланца 31. Прочность этого крепления и равномерность натяжения пленки обеспечивается с помощью резиновой прокладки 32. Для выравнивания давления газа в разных частях камеры 1 в подложке 30 МД экрана 14 выполнено несколько небольших отверстий.
В некоторых случаях пространственная неоднородность рабочей поверхности МД экрана 14, которая связана с вариацией поверхностной плотности металлических частиц, хаотически приклеенных к поверхности подложки МД экрана 14, а также с разбросом их характеристик, в частности, геометрических характеристик и ориентации, может приводить к искажению регистрируемого профиля микроволнового пучка. Кроме того, когда регистрация свечения плазмы ведется через прозрачную подложку МД экрана 14 (см. фиг. 4), частицы металла частично экранируют оптическое излучение плазмы. Наблюдаемые искажения профиля пучка, которые связаны с неоднородностью МД экрана 14 и затенением металлическими частицами, можно уменьшить, если регистрировать изображение плазмы ИПМПГ при разных положениях МД экрана 14. Котировочный стол 7 позволяет поступательно перемещать камеру 1 с МД экраном 14 в горизонтальном и/или вертикальном направлении (см. фиг. 1 и фиг. 4).
Фиг. 8 и фиг. 9 иллюстрируют частный случай технического решения, которое позволяет улучшить качество визуализации путем перемещения МД экрана 14. По п. 15 формулы изобретения движение МД экрана 14 осуществляется путем вращения камеры 1 вокруг оси, перпендикулярной поверхности МД экрана 14. Для этого камера 1 закрепляется на вращающемся валу 33 (см. фиг. 8), который может быть соединен с приводом вращения, или камера 1 устанавливается на роликовые вращатели 34 (см. фиг. 9), один из которых может быть соединен с приводом вращения (не показан). Возможно также осуществление изобретения по п. 16 формулы, согласно которому МД экран 14 вращается внутри камеры 1 вокруг оси, перпендикулярной его поверхности. В этом случае МД экран 14 или закреплен на вращающемся валу 35 (см. фиг. 10), который соединен с приводом вращения, или установлен на роликовые вращатели (не показаны), расположенные внутри камеры 1, один из которых соединен с приводом вращения посредством вала. Вал 35 можно вводить внутрь камеры 1, например, через отверстие в задней стенке корпуса 13. Уплотняющий узел 36 и прокладка 37 обеспечивает герметичность этого ввода.
Работает система следующим образом.
Перед наполнением рабочим газом камера 1 очищается от примесей других газов путем прокачки через нее рабочего газа. В качестве рабочего газа предпочтительно использовать газ или смесь газов, имеющих низкий порог микроволнового пробоя. Таким свойством обладают инертные газы, а также инертные газы с примесью легко ионизуемых добавок, например, паров металлов, либо примесью паров некоторых органических соединений, например, ацетона, тетракис (диметиламино) этилена (TDAE). В частности, в качестве рабочего газа можно использовать гелий с примесью тяжелых инертных газов. Давление газа в камере 1, при котором порог микроволнового пробоя газа имеет наименьшее значение, увеличивается прямо пропорционально частоте микроволнового излучения. Это давление оценивается с помощью соотношения
m
ν/ω=1 [17],
m
где ν - эффективная частота столкновений электронов с атомами [8], которая пропорциональна давлению газа,
ω - круговая частота микроволнового излучения.
Рабочее давление газа в камере обычно составляет от 0,5 до 1,5 атм. Для микроволнового излучения с частотой 300 ГГц (длина волны 1 мм) давление гелия, при котором порог пробоя газа имеет наименьшее значение, равно примерно 1 атм.
0
0
0
Камеру 1 с МД экраном 14, наполненную рабочим газом, помещают на пути распространения микроволнового излучения (см. фиг. 1 и фиг. 4). Микроволновый пучок проходит внутрь камеры 1 через входное окно 15 и падает на рабочую поверхность МД экрана 14. Обычно расстояние между входным окном 15 и рабочей поверхностью МД экрана 14 составляет несколько миллиметров. Поверхность МД экрана 14 располагают приблизительно перпендикулярно оси микроволнового пучка. При использовании системы по п. 8 формулы изображение плазмы регистрируют через входное окно 15, и устройство регистрации изображений 2 располагают вне микроволнового пучка перед входным окном 15 камеры 1 (см. фиг. 1). Перемещая второй юстировочный стол 9 по оптической скамье 8, можно установить устройство регистрации изображений 2 на нужном расстоянии от камеры 1. Обычно расстояние от устройства регистрации изображений 2 до камеры 1 составляет десятки - сотни сантиметров. Для синхронизации устройства регистрации изображений 2 и источника микроволнового излучения 6 используют генератор сигналов 4. С его помощью можно менять временную задержку между началом экспозиции устройства регистрации изображений 2 и передним фронтом микроволнового импульса. При использовании системы по п.п. 10-12 формулы изображение плазмы регистрируют через корпус 13 камеры 1 или дополнительное окно 26 или через прозрачную заднюю стенку 22 (см. фиг. 4). Предварительная калибровка геометрических параметров устройства регистрации изображений 2 проводится либо по изображению камеры 1 с МД экраном 14, форма и размеры которых известны, либо по калибровочному шаблону с известной формой и размерами [18]. Предпочтительно, чтобы устройство регистрации изображений 2 работало в линейном режиме, когда электрический сигнал с каждого пикселя ее светочувствительной матрицы пропорционален энергетической экспозиции попадающего на этот пиксель света, то есть интегралу от интенсивности падающего оптического излучения за время экспозиции устройства регистрации изображений 2. Будем величину этого сигнала для краткости называть энергетической экспозицией света. С помощью устройства регистрации изображений 2 и устройства обработки данных 3 (например, компьютера или ноутбука) измеряется и запоминается пространственное распределение энергетической экспозиции падающего оптического излучения S(x,y). Оптическое излучение плазмы ИПМПГ увеличивает энергетическую экспозицию, регистрируемую устройством регистрации изображений 2, на величину ΔS(x,y). Это изменение ΔS(x,y) определяется путем вычитания энергетической экспозиции фонового света S(x,y) из энергетической экспозиции света S(x,y), измеренной по кадру с изображением плазмы ИПМПГ ΔS(x,y)=S(x,y)-S(x,y). Энергетическая экспозиция фонового света S(x,y) определяется по кадру, который был зарегистрирован устройством регистрации изображений 2 до начала импульса микроволнового излучения или при его отсутствии. Расчет двумерного (2D) распределения величины ΔS(x,y) производится устройством обработки данных 3. Для количественного определения пространственного распределения интенсивности микроволнового излучения W(x,y) нужно предварительно провести калибровку системы визуализации, которая заключается в нахождении зависимости ΔS(W). В частности, такую калибровку системы визуализации можно провести путем измерения зависимости величины ΔS от мощности падающего на МД экран 14 микроволнового пучка с известным профилем. Таким образом, используя измеренное пространственное распределение величины ΔS(x,y) и результаты калибровки системы визуализации, определяют пространственное распределение интенсивности микроволнового излучения W(x,y) в области, где интенсивность микроволн выше порога инициированного МД экраном 14 микроволнового пробоя газа.
Для уменьшения влияния неоднородности поверхности МД экрана 14 на результаты измерений профиля микроволнового пучка можно использовать серию изображений плазмы, зарегистрированных при разном положении МД экрана 14. Для проведения таких измерений нужно использовать серию импульсов микроволнового излучения предпочтительно одинаковой мощности, каждый из которых приводит к микроволновому пробою газа, инициированному рабочей поверхностью МД экрана 14. Положение МД экрана 14 может изменяться путем поступательного перемещения камеры 1 с помощью юстировочного стола 7 согласно п. 14 формулы или путем вращения камеры 1 или МД экрана 14 в камере 1 согласно п. 15 или п. 16 формулы изобретения соответственно. Обычно на одном кадре регистрируется один импульс свечения плазмы. Используя серию зарегистрированных при разном положении МД экрана 14 изображений плазмы ИПМПГ, путем последующей математической обработки полученных данных можно провести коррекцию измеряемого профиля микроволнового пучка, которая позволяет уменьшить его искажения и улучшить отношение сигнал/шум.
m
в
в
m
D
B
В
В
D
m
2
Ниже приведен пример визуализации пучка ЭМ излучения миллиметрового диапазона с помощью системы, которая была реализована в частном случае согласно п. 8 формулы изобретения. В этих экспериментах для визуализации пучка мм волн использовалась разборная камера 1, чертеж которой показан на фиг. 2. В качестве металлодиэлектрического экрана 14 использовался диск из оргстекла диаметром 130 мм и толщиной 4 мм, на одну поверхность которого были хаотически приклеены мелкие дюралюминиевые опилки. Характерный размер металлических частичек был порядка 0,1 мм. Корпус 13 камеры 1 был изготовлен из нержавеющей стали. Внутренний диаметр камеры! равнялся 132 мм. Входное окно 15 было сделано из лавсановой пленки толщиной 0,1 мм. Камера 1 была наполнена рабочим газом (гелием с небольшой примесью аргона) при давлении 1,3 -1,4 атм. Толщина газового слоя между входным окном 15 и МД экраном 14 при таком давлении газа составляла около сантиметра. Схема системы, которая использовалась в экспериментах по визуализации пучка мм излучения, такая же, как приведенная на фиг.1. Источником мм излучения 6 являлся гиротрон, методика и результаты измерений характеристик которого описаны в [19]. Частота генерируемого гиротроном мм излучения была равна 250 ГГц; максимальная длительность импульса мм излучения составляла 50 мкс; максимальная мощность излучения гиротрона в этих экспериментах была равна примерно Р=250 кВт. Микроволновый пучок, излучаемый гиротроном, имел гауссову форму, ширина пучка на уровне половины высоты (FWHM) на выходе гиротрона была около 5 см. Расстояние от окна гиротрона до МД экрана 14 составляло 160 см. В качестве устройства регистрации изображений 2 использовалась цифровая черно-белая телекамера с ПЗС матрицей. Расстояние от телекамеры до МД экрана 14 было примерно 1,5 м. При мощности излучения гиротрона менее Р=(100±5) кВт пробоя газа в камере 1 не происходило, и, соответственно, свечения плазмы не наблюдалось. При большей мощности мм излучения Р>Р возникал пробой газа, инициированный поверхностью МД экрана 14. В воздухе при атмосферном давлении порог микроволнового пробоя, инициированного поверхностью МД экрана, был в несколько раз выше. На фиг. 11 показано двумерное распределение величины изменения энергетической экспозиции света ΔS{x,y), которое было зарегистрировано при ИПМПГ в гелии с примесью аргона при мощности излучения гиротрона Р=250 кВт. Временная задержка Δt между передним фронтом импульса мм излучения и началом экспозиции телекамеры составляла 30 мкс. Длительность экспозиции телекамеры была 6 мкс. Калибровка системы визуализации показала, что связь величин ΔS и ΔW=W-W линейная, где W - пороговая интенсивность возникновения инициированного МД экраном 14 микроволнового пробоя газа; равная W=3 кВт/см. На фиг. 12 сплошной линией показаны результаты измерений профиля пучка мм излучения в горизонтальном направлении  которые были проведены с использованием оптического излучения плазмы ИПМПГ при мощности излучения гиротрона 250 кВт и временной задержке Δt=30 мкс, где ΔS - максимальная величина изменения энергетической экспозиции. На фиг. 12 штриховой линией показан профиль изменения температуры плоского листа ватмана под действием этого пучка мм излучения, которой измерялся с помощью ИК телекамеры. Приблизительное совпадение в области, где интенсивность мм волн выше порога инициированного пробоя газа, результатов измерений профиля пучка, проведенных с использованием оптического излучения плазмы ИПМПГ, с результатами измерений, проведенных традиционным тепловым методом, демонстрирует работоспособность предложенной в изобретении системы визуализации микроволновых пучков.
Таким образом, разработанная конструкция системы для визуализации микроволнового излучения, в частности, размещение металлодиэлектрического экрана в герметичной, наполненной рабочим газом камере, на расстоянии от входного окна, по крайней мере, в 5 раз меньше характерного поперечного размера пучка визуализируемого микроволнового излучения, позволяет расширить диапазоны по интенсивности, длительности импульса и частоте визуализируемого микроволнового излучения, а также повысить точность визуализации пространственной структуры пучков этого микроволнового излучения. В частности, применяя предлагаемую автором систему, удалось при примерно одинаковой энергии ЭМ импульсов визуализировать пучок миллиметрового излучения, частота которого была почти на порядок выше, а длительность импульса на два порядка больше, чем в экспериментах по визуализации с использованием системы-прототипа [14]. Использование предлагаемой системы также позволило в несколько раз понизить интенсивность визуализируемого микроволнового излучения с заданной длительностью импульса.
Источники информации
1. Авторское свидетельство SU 497867 (публ. 30.12.1986 г., МПК G01D7/00) «Приемник для визуального наблюдения и регистрации электромагнитного излучения», авторы Бажулин А.П., Виноградов Е.А., Ирисова Н.А., Митрофанова Н.В., Тимофеев Ю.П., Фридман С.А., Щаенко В.В.
2. Kuznezov S.O., Malygin V.I. «Determination of gyrotron wave beam parameters)) // International Journal of Infrared and Millimeter Waves, 1991, V. 12, No. 11, p. 1241-1252.
3. Jawla S., Hogge J-P., Alberti S., Goodman Т., Piosczyk В., Rzesnicki T. «Infrared Measurements of the RF Output of 170-GHz/2-MW Coaxial Cavity Gyrotron and Its Phase Retrieval Analysis)) // IEEE Trans, on Plasma Sci., 2009, V. 37, No. 4, p. 414-424.
4. Гитлин Μ.С.«Визуализация пространственного распределения интенсивности миллиметровых волн при помощи оптического континуума, излучаемого газовым разрядом в смеси Cs-Xe. Часть I. Метод и его физические основы (обзор)» // Успехи прикладной физики, 2015, Т. 3, №6, с. 515-536.
5. Гитлин М.С., Глявин М.Ю., Федотов А.Э., Цветков А.И. «Визуализация пространственного распределения интенсивности миллиметровых волн при помощи оптического континуума, излучаемого газовым разрядом в смеси Cs-Xe (обзор). Часть II. Демонстрация прикладных возможностей метода» // Успехи прикладной физики, 2016, Т. 4, №2, с. 111-126.
6. Gold S.H., Black W.M., Granatstein V.L. et al. «Breakdown of the atmosphere by emission from a millimeter-wave free-electron maser» // Appl. Phys. Lett., 1983, V. 43, No. 10, p. 922-924.
7. Бугаев СП., Канавец В.И., Климов А.И., Кошелев В.И. «Атмосферный СВЧ разряд и исследование когерентности излучения релятивистского многоволнового черенковского генератора» // Доклады АН СССР, 1988, Т. 298, No. 1, с. 92-94.
8. «Электродинамика неравновесного высокочастотного разряда в волновых полях» // В сб. Высокочастотный разряд в волновых полях / под ред. А.Г. Литвака. ИПФ АН СССР. Горький, 1988.
9. Батанов Г.М., Грицинин СИ., Коссый И.А. и др. «СВЧ-разряды высокого давления» // Труды ФИАН. М.: Наука, 1985, Т. 160, с. 174-203.
10. HidakaY., Choi E.M., Mastovsky I., Shapiro M.A., Sirigiri J.R., Temkin R.J., Edmiston G.F., Neuber Α.Α., Oda Y. «Plasma structures observed in gas breakdown using a 1,5 MW, 110 GHz pulsed gyrotron» // Physics of Plasmas, 2009, V. 16, p. 055702.
11. BratmanV.L., Denisov G.G., Ofitserov M.M., Korovin S.D., Polevin S.D., Rostov V.V. «Millimeter-wave HF Relativistic Electron Oscillators» // IEEE Trans, on Plasma Sci., 1987, V. 15, No. 1, p. 2-15.
12. Авторское свидетельство SU 1583877, 07.08.1990, «Способ визуализации импульсных СВЧ-полей» / / Коровин С.Д., Ростов В.В., Сморгонский А.В., Шпак В.Г., Яландин М.И.
13. Алексеев И.С, Иванов И.Е., Стрелков П.С, Тараканов В.П., Ульянов Д.К. «Визуализация структуры СВЧ-пучка релятивистского плазменного СВЧ-усилителя» // ФИЗИКА ПЛАЗМЫ, 2017, Т. 43, №3, с. 277-283.
14. ElzhovA.V., Ginzburg N.S., Kaminsky А.К., Kuzikov S.V., Perelstein E.A., PeskovN.Yu., PetelinM.L, Sedykh S.N., SergeevA.P., SergeevA.S., Syratchev I.V., Zaitsev N.I. «Test facility for investigation of heating of 30 GHz accelerating structure imitator for the CLIC project)) // Nucl. Instr. and Meth. Phys. Res. Α., 2004, V. A528, p.225-230.
15. Batanov G.M., Gritsinin S.I., Kossyi I.A. «Νοn-self-sustained microwave discharge and the concept of a microwave air jet engine» // J. Phys. D: Appl. Phys., 2002, V. 35, p. 2687-2692.
16. Грицинин С.И., Давыдов A.M., Коссый И.А., Арапов Κ.Α., Чапкевич А.А. «Бирезонансный" источник плазмы на основе линейного микроволнового вибратора со щелью» // Физика плазмы, 2014, Т. 37, №3, с. 290-299.
17. Райзер Ю.П. Физика газового разряда. М.: Наука, 1987, 592 с.
18. Грузман И.С., Киричук B.C., Косых В.П., Перетягин Г.И., Спектор А.А. «Цифровая обработка изображений в информационных системах», Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2000, 168 с.
19. DenisovG.G., GlyavinM.Y., FokinA.P., KuftinA.N., Tsvetkov A.I., SedovA.S., Soluyanova E.A., Bakulin M.I., Sokolov E.V., Tai E.M., Morozkin M.V., Proyavin M.D. and Zapevalov V.E. «First experimental tests of powerful 250 GHz gyrotron for future fusion research and collective Thomson scattering diagnostics)) // Rev. Sci. Instrum., 2018, 89(8), 084702.