ВХОДНОЙ УЗЕЛ ВРЕМЯАНАЛИЗИРУЮЩЕГО ЭЛЕКТРОННО-ОПТИЧЕСКОГО ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ
INPUT UNIT OF TIME-ANALYSING OPTOELECTRONIC CONVERTER

Изобретение относится к области электронно-оптической техники и может быть использовано при построении многоканального хронографического электронно-оптического (ЭО) регистратора с N волоконно-оптическими входами для исследования в динамике с пикосекундным временным разрешением одним ЭО регистратором N физических процессов нано-, пикосекундного диапазона в тех случаях, когда источник процесса удален от места регистрации на расстояние до 3-5 км.
Для реализации изобретения в измерительных системах исследуемые процессы должны допускать преобразование регистрируемого процесса, например плотности потока импульсного ионизирующего излучения, с помощью волоконно-оптических датчиков-конвертеров, на длину волны диапазона 1,3 мкм с целью передачи полученного аналога процесса по стандартному одномодовому волоконно-оптическому кабелю. Такой способ передачи информационных сигналов позволяет передавать с малыми искажениями импульсные сигналы - эквиваленты исследуемых процессов с характерными временами в 30-50 пс при длине оптической линии до 3-5 км. При этом в типичном оптическом кабеле может быть уложено до 12 модулей по 16 волокон в каждом (до 192 волокон), для организации многоканальной схемы измерений на одном оптическом кабеле.
Известны следующие технические решения в области многоканальных входных узлов электронно-оптических преобразователей (ЭОП).
6
Известен многоканальный хронографический ЭО-регистратор одиночных импульсов ионизирующего излучения, содержащий электронно-оптический преобразователь с входным узлом на основе фотокатода, конверторы, расположенные в зоне воздействия ионизирующего излучения, оптически связанные посредством волоконно-оптических линий связи (ВОЛС) с входным узлом ЭОП, причем волокна ВОЛС пристыкованы к входному узлу, содержащему фотокатод контактно прижимным образом, «В.В. Борисов и др. «Многоканальный хронографический ЭО регистратор одиночных импульсов ионизирующего излучения», патент РФ №1294123, МПК G01T 1/17, опубликовано 27.08.1996 г.».
Недостатки этого аналога заключаются, во-первых, в больших контактных потерях на стыке волокно - волоконно-оптическая пластина (ВОП) фотокатода, по оценке с помощью формул из «М.М.Бутусов и др. «Волоконно-оптические системы передачи». - М.: Радио и связь, 1992 г.» до 3-6 дБ и, во-вторых, в значительном разбросе потерь между каналами (до 3-4 дБ), что в многоканальных измерительных системах часто является недопустимым, так как искажает картину пространственного распределения интенсивностей исследуемого физического процесса.
6
Известен «Хронографический ЭОП» патент США №5719623, МПК H01J 15/30, опубликовано Feb. 17. 1998, в состав которого входит входной узел фотокатода, содержащий фотокатод на основе волоконно-оптической пластины, с нанесенным на ней фоточувствительным слоем, систему преобразования для преобразования оптического изображения в падающих лучах в первое и второе разделенные микроэлектронные пятна, которые разнесены друг от друга на заранее установленное расстояние, вышеуказанное оптическое изображение образуется на указанной системе преобразования лучом света от целевого объекта, а каждое электронное пятно интерпретируется как точка; хронографический ЭОП согласно пункту формулы изобретения 1, в котором указанная система преобразования включает систему разделения для разделения оптического изображения объекта на множество разделенных микрооптических образов, и фотокатод для преобразования каждого отдельного микрооптического образа, отделенного указанной системой разделения в соответствующее отдельное микроэлектронное пятно; хронографический ЭОП согласно пункту 2 формулы изобретения, в котором указанная система разделения включает некое множество волоконных кабелей, размещенных около указанного объекта, и волоконную пластину, к которой подсоединены излучающие концы указанных волоконных кабелей, хронографический ЭОП согласно пункту 2 формулы изобретения, в котором указанная система разделения включает волоконные группы, встроенные во входное окно хронографического ЭОП; хронографический ЭОП согласно пункту формулы изобретения 2, в котором указанная система разделения включает пластину, приклеенную к входному окну хронографического ЭОП, в которую встроены волоконные группы.
В этом хронографическом ЭОП оптическое изображение объекта разбивается на множество раздельных электронных изображений, причем в одном из вариантов такая разбивка осуществляется на множестве оптоволоконных кабелей, размещенных вблизи отображаемого объекта, причем эмитирующие концы этих кабелей присоединяются, судя по описанию, контактно прижимным способом к входному узлу, содержащему фотокатод на ВОП, как следует из описания. Целью данного патента является создание укороченной по длине электронно-лучевой трубки ЭОП за счет разбивки изображения на N микроизображений. Светоизлучающие концы оптоволоконных кабелей прижаты к наружной поверхности ВОП, повторяя, таким образом, вышеописанные недостатки подключения входных оптических кабелей - В.В.Борисов и др. «Многоканальный хронографический ЭО регистратор одиночных импульсов ионизирующего излучения», патент РФ №1294123.
Недостатки этого аналога заключаются, во-первых, в больших контактных потерях на стыке волокно - волоконно-оптическая пластина (ВОП) фотокатода, и, во-вторых, в значительном разбросе потерь между каналами (до 3-4 дБ), что в многоканальных измерительных системах часто является недопустимым, так как искажает картину пространственного распределения интенсивностей исследуемого физического процесса.
Наиболее близким техническим решением к изобретению (прототипом) является "«Photonic cathode ray tube» US Patent №5142193 от 25.08.1992", Фотонная электронно-лучевая трубка, содержащая:
- устройство вакуумной трубки с двумя противоположными концами;
- устройство фотокатода в указанном устройстве трубки на первом конце устройства трубки;
- устройство фотокатода является по существу плоским;
- указанное устройство фотокатода имеет диаметр от 0,2 до 1 см;
- указанное устройство фотокатода покрыто кристаллическим веществом, содержащим арсенид галлия;
- устройство люминесцентного экрана в указанном устройстве трубки на втором конце устройства трубки;
- устройство электронной фокусирующей линзы, расположенное в указанном устройстве трубки вблизи фотокатода;
- устройство отклоняющих пластин, находящихся между устройством линзы и вторым концом трубки;
- не менее одного волоконно-оптического элемента в связи по входу с устройством фотокатода;
- группу волоконно-оптических элементов в связи по входу с устройством фотокатода;
- группу волоконно-оптических элементов, равномерно распределенных вокруг центральной оси фотокатода;
- группа волоконно-оптических элементов, расположенных вдоль горизонтальной линии;
- ширина указанной горизонтальной группы не превышает приблизительно 2 мм.
Недостатком прототипа является недостаточная точность измерения пространственного распределения и временных параметров исследуемых процессов, большие контактные потери и разброс этих потерь при передаче светового информационного сигнала с излучающих световой сигнал торцев оптических волокон на фоточувствительный слой фотокатода.
Техническим результатом, обеспечиваемым изобретением, является повышение точности измерения пространственного распределения и временных параметров исследуемых процессов за счет существенного снижения контактных потерь и разброса этих потерь при передаче светового информационного сигнала с излучающих световой сигнал торцов оптических волокон на фоточувствительный слой фотокатода при регистрации множеств N исследуемых процессов на одном ЭО-регистраторе, сделанном на одном входном узле ЭОП.
Технический результат достигается тем, что во входном узле времяанализирующего ЭОП, содержащем волоконно-оптическую пластину с сформированным на ней фотокатодом, в волоконно-оптическую пластину внедрен массив линейно расположенных вдоль прямой, проходящей через центр волоконно-оптической пластины, оптических волокон, световедущие сердцевины одних концов волокон соединены с фоточувствительным слоем фотокатода, другие концы волокон оконцованы оптическими разъемами.
Сущность изобретения заключается в такой организации и конструкции входного узла, содержащего фотокатод, которая позволит максимально использовать информационную емкость фотокатода, исключить контактные потери и существенно снизить неравномерность этих потерь, на стыке торец волокна - фоточувствительный слой фотокатода; внедрение в ВОП фотокатода стандартных одно- или многомодовых волокон, оконцованных вне вакуумного объема ЭОП стандартными оптическими разъемами, позволит организовать требуемое количество информационных каналов с временным разрешением менее 100 пикосекунд при длине передающей волоконно-оптической линии связи (ВОЛС) до 3-5 км.
На фиг.1 изображен эскиз входного узла времяанализирующего электронно-оптического преобразователя.
На фиг.2 условно изображен разрез активной области ВОП фотокатода, состоящего из активной области ВОП 1 и N внедренных волокон 4 (под активной областью фотокатода понимается прямоугольная область, в которую внедрены волокна 4). Условно показаны часть из N внедренных волокон 4, для одного волокна показаны размеры оболочки и световедущей сердцевины 125/62,5 мкм, также условно показана часть мирковолокон диаметром 6 мкм, из которых образована ВОП 1.
На фиг.3 изображен эскиз варианта исполнения времяанализирующего электронно-оптического преобразователя с многоканальным оптическим входом на основе заявляемого входного узла.
Где: 1 - ВОП фотокатода, 2 - фоточувствительный слой фотокатода, 3 - электронный пучок, 4 - внедренные в ВОП стандартные многомодовые оптические волокна 125/62,5 мкм, 5 - стандартные оптические разъемы, например, FC/PC типа, 6 - ускоряющая мелкоструктурная сетка, 7 - блок электронных линз, 8 - диафрагма с щелевой прорезью, 9 - отклоняющая система, 10 - микроканальная пластина, 11 - экран с люминесцентным слоем, 12 - ВОП экрана, 13 - вакуумная трубка.
Предлагаемый входной узел и времяанализирующий ЭОП на его основе содержат вакуумную трубку 13 и в ее объеме плоский фотокатод, состоящий из ВОП 1, фоточувствительного слоя 2 и внедренных в ВОП 1 волокон 4 с фоточувствительным в диапазоне длин волн до 1,32 мкм слоем 2, имеющим спектральную характеристику S1 и с внедренными в ВОП 1 оптическими многомодовыми волокнами 4 диаметром 125/62,5 мкм (N волокон), оконцованными на другом конце вне вакуумного объема ЭОП стандартными оптическими разъемами, например, FC/PC типа 5 (N разъемов), ускоряющий электрод 6, например, в виде мелкоструктурной сетки, расположенный на расстоянии ~ 2-3 мм от поверхности фотокатода, блок электронных линз 7, диафрагму со щелевой прорезью 8, расположенную в кроссовере электронного потока 3, широкополосную отклоняющую систему 9, экран с люминесцентным слоем 11, микроканальную пластину 10, выходной ВОП 12. Фотокатод, состоящий из ВОП 1, фоточувствительного слоя 2 и внедренных в ВОП 1 волокон 4 изготовлен на ВОП 1, его поперечное сечение в разрезе показано на фиг.2. ВОП 1 сформирован из волокон диаметром 6 мкм, в массив которых внедрена группа из N стандартных многомодовых волокон 4 наружным диаметром d=125 мкм, расположенных в один ряд с шагом t~0,13 мм по всей активной высоте фотокатода Laf, которая и определит диаметр ВОП D для заданного числа каналов N:
a
Непосредственно ВОП 1 выполнятся в форме, например, диска с диаметром D≥Lf и толщиной H, которая определяется возможностью герметизации ВОП в вакуумную трубку 13 по торцу трубки. С целью улучшения технологичности конструкции желательно использовать плоскую форму ВОП. При этом некоторое снижение временного и пространственного разрешения по сравнению со сферической формой ВОП фотокатода может быть скомпенсировано введением катодной насадки в соответствии с патентом предприятия заявителя «Л.В.Бадьин и др. «Катодный узел времяанализирующего ЭОП изображения», патент РФ №2374719». Внутренняя поверхность ВОП совместно с внедренными волокнами 4 полируется перед нанесением фоточувствительного слоя 2 и затем наносится сам фоточувствительный слой 2, причем в отличие от «Photonic cathode ray tube» US Patent №5142193, согласно рекомендациям «Веретенников А.И., Даниленко К.Н. «Средства диагностики импульсного излучения», сб. трудов НИИИТ, издАТ, 1999 г.», «М.Я.Щелев «Пикосекундная электронно-оптическая диагностика», труды ИОФАН, том №155» материал фоточувствительного слоя 2 для ЭОП с пикосекундным временным разрешением может быть со спектральной характеристикой S1 типа (AgOCs), имеющий малый, но нормированный квантовый выход вплоть до λ=1,315 мкм, составляющий в среднем по формуле:
-4
где S(λ)~(1-5) мкА/Вт - спектральная чувствительность при λ=1,315 мкм: Y(λ=1315 нм)=2.35×10%.
Ниже приводятся расчеты, подтверждающие возможность получения параметров временного разрешения, числа каналов, а также динамического диапазона.
1. Проверка возможности получения требуемого временного разрешения.
Согласно «Веретенников А.И., Даниленко К.Н. «Средства диагностики импульсного излучения». - Сб. трудов НИИИТ : издАТ, 1999 г.» временное разрешение ЭОП в общем случае составляет:
ф
т
где τ - физическое временное разрешение, τ - техническое временное разрешение. Физическое временное разрешение можно оценить по формуле
уск
ф
3
где E - напряженность поля у фотокатода в ед. CGSE, α находится в диапазоне 1-5, в зависимости от геометрии фотокатода и длины волны. Напряженность поля , где U - ускоряющий потенциал сетки, d - расстояние между фотокатодом и ускоряющей сеткой, и при типичных значениях этих параметров получаем в системе СИ Е~0,3×10 В/мм, что составит в системе CGSE величину ~10 ед. напряженности электрического поля CGSE. Таким образом по формуле (3) получаем τ=1-5 пс. Техническое временное разрешение в свою очередь:
э
э
p
где N - пространственное разрешение по экрану, принимаем N=10 штр/мм; V - максимальная скорость развертки на экране мм/с, в свою очередь
р
р
т
Σ
11
и при длительности развертки Т=400 пс (на экран) и длине экрана в направлении временной развертки ~20 мм (типичное значение) получаем V=0,5×10 мм/с и τ=2,0 пс. По формуле (2) получаем верхнюю оценку суммарного временного разрешения ЭОП τ~5,4 пс, что существенно лучше требуемых 10 пс.
af
af
af
af
2. Размер активной части фотокатода определится требуемым числом каналов N в соответствии с формулой (1), например для N=100 каналов получаем Laf≥(N+1)xt=13,3 мм, тогда фотокатод на основе ВОП будет иметь следующие размеры: диаметр диска d~15 мм, толщина диска h~5-7 мм; ширина активной области фотокатода, то есть прямоугольной области, на которую нанесен фоточувствительный слой, захватывающий торцы всех N внедренных в ВОП ММ волокон, составляет L × t, где t>0,125 мм и с учетом погрешности нанесения фоточувствительного слоя t~(0,15-0,25) мм.
э
3. Обоснование выбора шага расположения внедренных волокон проводится исходя из следующих соображений: на вход хронографического ЭОП регистратора на основе заявляемого времяанализирующего ЭОП, информационные сигналы подаются по стандартному оптическому одномодовому (SM) кабелю с диаметром световедущей жилы одного волокна 125/10 мкм, где 10 мкм - диаметр непосредственно световедущий сердцевины. При этом кабель может содержать до 192 волокон, каждое из которых заканчивается стандартным оптическим разъемом, например вилкой FC/APC типа. На входе ЭО-регистратора эти разъемы должны быть состыкованы с оптическими волокнами, внедренными в ВОП фотокатода, которые могут быть как одномодовыми (SM) 125/10 мкм с розеткой FC/APC типа, так и многомодовыми (ММ) с розеткой FC/PC типа, причем ММ волокна могут иметь размеры оболочки и сердцевины 125/50 мкм и 125/62,5 мкм. Диаметр сердцевины волокна выбирается исходя из данных работы «М.Я.Щелев. «Пикосекундная электронно-оптическая диагностика», труды ИОФАН, том №155», где приведен размер минимального элемента разрешения фотокатода ЭОП 100×100 мкм, то есть смысл иметь это значение максимальным - 62,5 мкм. Шаг расположения волокна выбирается исходя из разрешающей способности по полю фотокатода; обозначив электронно-оптическое увеличение m, получаем для типичного значения пространственного разрешения N=10 штр/мм, m=1,1 размер разрешаемого элемента на фотокатоде 90 мкм, а следовательно, шаг расположения волокон должен быть больше 90 мкм. Таким образом, в качестве интегрированного в фотокатод волокна целесообразно использовать ММ волокно с максимальным диаметром световедущий сердцевины 62,5 мкм с шагом между волокнами не менее 130 мкм, оконцованное вне вакуумного объема ЭОП входной розеткой FC/PC типа.
2
2
-6
2
2
мин1
вх
мин
вх
мин1
мин1
4. Оценку динамической чувствительности в диапазоне 1,3 мкм можно получить исходя из выводов работы «М.Я.Щелев «Пикосекундная электронно-оптическая диагностика», труды ИОФАН, том №155» о том, что предельная динамическая чувствительность в ближнем ИК-диапазоне σ>10 Вт/см и при площади сердцевины волокна 125/62,5 мкм, s=30.7·10 см получаем оценку входной мощности, соответствующей нижней границе динамического диапазона P=σ*s~3 мВт, а сам динамический диапазон составляет ~10. Следует заметить, что указанная оценка дается при длительности импульсов на входе ЭОП τ~1 пс, при требуемом же в данном случае значении длительности импульсов не менее 10 пс, исходя из равенства энергий импульса Е~Р×τ на нижней границе динамического диапазона значение Р составит: Р>0,3 мВт.
Заявляемый входной узел, показанный на фиг.1, 2 в составе времяанализирующего ЭОП (фиг.3), работает следующим образом.
3
Входные информационные оптические сигналы каждого из исследуемых каналов на длине волны λ=1,31±0,01 мкм подается через входные оптические разъемы 5 и отрезки оптических волокон 4, внедренные в ВОП 1, и с минимальными потерями (менее 1%) оптической мощности попадают на фоточувствительную (активную) область фотокатода, состоящего из ВОП 1, фоточувствительного слоя 2 и внедренных в ВОП 1 волокон 4, где и происходит преобразование импульсной световой мощности исследуемого временного процесса в модулированный по интенсивности электронный пучок 3, ускоряющийся внутри вакуумной трубки 13 в электрическом поле с высокой напряженностью Е~0,3×10 В/мм, создаваемом ускоряющим электродом в виде мелкоструктурной сетки 6 в промежутке между фоточувствительной областью фотокатода 2 и поверхностью мелкоструктурной сетки 6, что способствует получению высокого временного и пространственного разрешения. Предложенная конструкция фотокатода, состоящего из ВОП 1, фоточувствительного слоя 2 и внедренных в ВОП 1 волокон 4 обеспечивает малые потери преобразования оптического сигнала в фототок и снижает до минимума разброс потерь в каналах за счет полировки поверхности ВОП совместно с внедренными волокнами.
Заявляемый входной узел в составе времяанализирующего ЭОП на основе этого узла даст наибольший экономический эффект, не менее 10 раз, в системах, где имеется большое (до 192) число оптических каналов регистрации нано-, пикосекундных импульсных процессов, информация о которых приходит на регистрирующую аппаратуру по стандартным волоконно-оптическим кабелям при значительном удалении источника сигнала от места регистрации, например, в установках для термоядерного синтеза. В этом случае вместо, например, 100 хронографических ЭОП регистраторов, стоимость каждого из которых может составлять десятки тысяч долларов, может быть использован один ЭО-регистратор на основе заявляемого входного узла в составе времяанализирующего ЭОП. В десятки-сотни раз уменьшается энергопотребление и занимаемое регистрирующей аппаратурой место. Другой эффект заключается в повышении точности измерений пространственного распределения и временных параметров исследуемых процессов в связи с отсутствием разброса потерь в каналах и наличием калибровочных сигналов, калибрующих ЭО регистратор как по амплитуде, так и по времени.