Высокоскоростной малогабаритный фотохронограф

“Агат-СФ-1”[2, 9]

Фотохронограф «Агат-СФ-1» предназначен для фотографической записи и измерения пространственно-временных характеристик однократных процессов субнаносекундной длительности. Фотохронограф позволяет измерять такие важные параметры, как форма и длительность импульсов, время нарастания и спада фронта, интервалы между импульсами и продолжительность серии импульсов, иметь временную привязку исследуемого импульса к определенному моменту времени.

Фоторегистраторы позволяют исследовать:

- процессы управляемого термоядерного синтеза;

- электрические разряды в газах;

- взрывные процессы;

- синхротронное излучение;

- высокотемпературную плазму;

- сцинтилляцию в кристаллах под воздействием частиц с высокой энергией;

- образование треков при движении частиц в пузырьковых камерах;

- люминесценцию;

- установление оптического изображения;

- лазерное излучение (распространение световых импульсов в веществе, когерентное взаимодействие фотонов, фотонное эхо, эффекты нелинейного взаимодействия световых импульсов и вещества, действие лазерного излучения на биологические системы).

Фоторегистраторы могут быть успешно применены для исследования глубинных процессов в ходе разработки широкого класса лазеров, оптических локаторов, быстродействующих счетно-вычислительных машин на оптических элементах, трековых фильтров, ламп-вспышек, разрядников; процессов, протекающих в различных веществах, в биологических объектах на молекулярном уровне.

В фотохронографе (рис. 3) применен времяанализирующий ЭОП типа ПВ-001А (раздел 3), содержащий усилитель яркости с электростатической фокусировкой типа ПМУ-2В (раздел 4).

Фотохронограф состоит из трехобъективной входной оптической системы с набором временных щелей, цветных и нейтральных светофильтров, фотоприставки для контактного фотографирования на 35-миллиметровую фотопленку и блоков развертки, затвора, импульсного питания усилителя яркости, синхронизации, высоковольтного и низковольтного питания, размещенных в едином корпусе.

Рис. 3. Схема фотохронографа “Агат-СФ-1”.

1 – “Гелиос-44”, 2 – временная щель, 3 – “Юпитер-9”, 4 – набор светофильтров,

5 – “Юпитер-9”, 6 – времяанализирующий ЭОП, 7 – усилитель света, 8 – фотоприставка

Основные параметры фоторегистратора “Агат-СФ-1”

Спектральный диапазон чувствительности, мкм	0,38 – 1,3
Развертка, нс/см	0,2; 0,5; 1,2; 5,0; 10,0; 20,0; 30,0
Максимальное временное разрешение, пс	1 – 2
Регулируемая задержка, нс	0 – 110 через 1 нс
Собственная задержка прибора, нс, не более
Диапазон значений регистрируемой плотности энергии на фотокатоде в максимуме спектральной характеристики, Дж/см^2	10^-11– 10^-9
Число фотонов с длиной волны 1,06 мкм на один разрешаемый элемент изображения, обеспечивающих плотность почернения 0,5 фотопленки над вуалью, фотон/ элемент разреш.
Пространственное разрешение, мм^-1	10 – 20
Угловое поле зрения, град	4,5
Размеры временной щели, мм: высота ширина	0,5 – 1,0
Размер фотохронограммы, мм	38´10
Питание: напряжение питания, В частота тока питания, Гц потребляемая мощность, ВА, не более
Габаритные размеры, мм	900´360´200
Масса, кг, не более

Пикосекундное разрешение камеры “Агат-СФ1” обеспечивается применением времяанализирующего ЭОП, снабженного ускоряющим электродом в виде мелкоструктурной сетки, расположенной вблизи фотокатода, и широкополосной системой отклонения проходного типа.

Камера работает в ждущем режиме с внешней синхронизацией. Запуск камеры осуществляется подачей пускового импульса на входной блок, где формируется нормированный импульс для пуска электронных блоков управления электронным изображением.

Возможность синхронизации момента пуска развертки с исследуемой фазой быстропротекающего процесса обеспечивает блок ступенчато регулируемой задержки.

Развертка электронного изображения по экрану времяанализирующего ЭОП осуществляется с помощью генератора развертки, вырабатывающего парафазные линейно изменяющиеся импульсы напряжения.

Запирание электронного луча на входе обратного хода развертки осуществляет генератор затвора, вырабатывающий прямоугольный импульс отрицательной полярности, длительность которого больше длительности обратного хода развертки; импульс поступает на затворную систему времяанализирующего ЭОП.

Регулировка коэффициента усиления камеры по свету в 10, 100, 1000 и 10000 раз достигается путем подачи различных по амплитуде импульсов напряжения прямоугольной формы на микроканальную пластину усилителя света в момент регистрации быстропротекающего процесса.

Для синхронизации с внешними устройствами при запуске камеры во входном блоке и в блоке развертки вырабатываются синхроимпульсы.

Интенсивность светового потока, поступающего на фотокатод ЭОП, может быть изменена экспериментатором с помощью набора нейтральных светофильтров с плотностями 0,5; 1,0; 1,5; 2,0; 3,0, устанавливаемых в промежуток между двумя объективами перебрасывающей оптической системы.

Пространственная привязка фотохронограммы к границам кадра по его углам осуществляется впечатыванием при каждом запуске камеры четырех подсвечиваемых светодиодами реперов-перекрестий, расположенных в фотоприставке.

Контактная съемка (пленка прижата к выходу волоконно-оптического диска экрана усилителя света) обеспечивает более полное использование светового потока (сбор света с экрана в 30 раз больший) по сравнению с фотоприставками, построенными на линзовой оптике.

3. Времяанализирующий ЭОП ПВ-001А [2, 9]

При создании времяанализирующих ЭОП с временным разрешением лучше 10^-11 с необходимо учитывать довольно большой разброс начальных скоростей фотоэлектронов, одновременно выходящих с поверхности входного фотокатода, что существенно влияет на дисперсию фотоэлектронов, дошедших до люминофора выходного экрана. Так, для серебряно-кислородно-цезиевого фотокатода этот разброс начальных скоростей обусловлен энергиями, лежащими в пределах 0 – 2,5 эВ, а для сурьмяно-цезиевых и многощелочных фотокатодов 0 – 3,5 эВ. С увеличением длины волны падающего на фотокатод монохроматического оптического излучения разброс начальных скоростей фотоэлектронов уменьшается, хотя и остается относительно большим.

Влияние разброса начальных скоростей фотоэлектронов, выходящих с поверхности входного фотокатода, на временное разрешение времяанализирующего ЭОП можно существенно уменьшить, повышая напряженность электрического поля вблизи поверхности фотокатода. Принципиально существует возможность увеличить напряженность электрического поля вблизи поверхности фотокатода на два-три порядка, т.е. до 5·10⁴ – 5·10⁵ В·см^-1. При большей напряженности поля с фотокатода, и в первую очередь с его неровностей, возникает автоэлектронная эмиссия.

Для повышения напряженности электрического поля у поверхности входного фотокатода во времяанализирующий электронно-оптический преобразователь вводится мелкоструктурная сетка с высоким коэффициентом прозрачности, располагаемая непосредственно перед фотокатодом на небольшом расстоянии от него. На эту сетку по отношению к фотокатоду подается положительный потенциал от источника высокого напряжения.

На рис. 4 приведена схема времяанализирующего ЭОП типа ПВ-001 с электростатической фокусировкой электронного изображения, переносимого из плоскости фотокатода в плоскость люминофора выходного экрана. На небольшом расстоянии от фотокатода расположена мелкоструктурная сетка, позволяющая создавать у его поверхности высокую напряженность электрического поля. В преобразователе использована электронно-оптическая система, состоящая из фотокатода 1, плоской мелкоструктурной сетки, смонтированной на первом цилиндрическом электроде 2, подфокусирующего электрода 3 и анода 4.

Конструкция преобразователя предусматривает возможность формирования фотокатода 1 в отдельном вакуумном объеме с последующим переносом его в металлостеклянную оболочку 15 преобразователя. В этом случае отпайка ЭОП от вакуумной установки осуществляется холодным “перекусом” медного штенгеля. Обработка фотокатода в отдельном объеме резко увеличивает электрическую прочность времяанализирующего ЭОП.

Рис. 4. Схема времяанализирующего ЭОП с электростатической фокусировкой и ускоряющей мелкоструктурной сеткой перед фотокатодом

Для запирания и отпирания фотоэлектронного изображения во времяанализирующем ЭОП используется широкополосный электронный затвор, состоящий из двух пар пластин – отклоняющей 5 и компенсирующей 6, и щелевые диафрагмы 11 – 14; диафрагма 14 расположена в районе кроссовера.

Одна пара пластин служит для отклонения электронного луча в плоскости люминофора выходного экрана, другая пара 6 – для компенсации этого отклонения. В результате при открытии электронного затвора изображение в плоскости люминофора выходного экрана вспыхивает и остается неподвижным, пока электронный затвор открыт, а затем тухнет, оставаясь неподвижным при закрытии затвора. Преимуществом такого затвора является то, что в процессе запирания электронного луча пространственное разрешение и контраст кадра изображения в плоскости люминофора выходного экрана не меняются и, следовательно, не требуется крутых фронтов у запирающих и отпирающих импульсов. Однако это условие справедливо только в случае равенства динамической чувствительности отклоняющих 5 и компенсирующих 6 пластин электронного затвора.

Отклоняющие пластины электронного затвора включены на двухпроводную линию 16 с распределенными параметрами, монтируемую вместе с пластинами затвора в вакуумном объеме ЭОП.

Согласование волнового сопротивления 17 (z) двухпроводной линии с включенной в середине линии емкостной нагрузкой обеспечивается точностью сборки при монтаже и схемными решениями, использующими переходы равного волнового сопротивления с двухпроводной линии из круглых проводников на двухпроводную линию из ленточных проводников, которые являются отклоняющими пластинами электронного затвора.

Для отклонения фотоэлектронного изображения по осям х и у используются широкополосные симметричные проходные системы коаксиального типа с волновым сопротивлением 75 Ом, центральные стержни которых в вакуумном объеме преобразователя являются обкладками отклоняющих пластин 7 и 8. Это обеспечивает возможность осуществления развертки во времени элемента изображения, сфокусированного в плоскости люминофора выходного экрана, со скоростью порядка двух скоростей света.

Для исключения потерь света, связанных с переносом оптического изображения из плоскости люминофора выходного экрана в плоскость фотопленки с помощью объектива, на выходе преобразователя ставится вакуумноплотный волоконно-оптический диск 10, на внутреннюю поверхность которого наносится люминофор 9. Наличие волоконно-оптического диска позволяет осуществлять контактное фотографирование непосредственно с экрана на фотопленку без потери пространственного разрешения и контраста путем простого прижима фотоэмульсии к поверхности волоконно-оптического диска, а кроме того, позволяет легко осуществлять контактное сочленение преобразователя с усилителем яркости изображения, который на входе также имеет вакуумноплотный волоконно-оптический диск с фотокатодом на внутренней поверхности. При этом используется принцип оптического контакта между люминофором 9 выходного экрана преобразователя и входным фотокатодом 1 усилителя яркости изображения для переноса и последующего усиления яркости изображения, сфокусированного в плоскости люминофора выходного экрана.

Дата добавления: 2015-07-20