Введение к работе
Актуальность темы исследования. Оптико-электронные системы для измерения и регистрации пространственно-временных характеристик однократных быстропротекагощих и слабосветящихся процессов включают в себя осцилло-графическую и электронно-оптическую аппаратуру. Речь далее идет о двух направлениях исследования указанных процессов.
-
Для исследований однократных или редко повторяющихся физических процессов с малым уровнем сигнала (менее 1 В) в диапазоне длительностей 10"7 *- 10"пс широко применяется скоростное осциллографирование на электроннолучевых трубках типа бегущей волны (ЭЛТБВ). Регистрация и измерение амплитудно-временных характеристик изучаемого физического процесса или явления любой природы осуществляются здесь на базе изучения электрических сигналов в реальном масштабе времени по каждой его посылке. В основе построения эта группа относится к электронно-измерительным системам.
-
Для регистрации и исследования сверхслабого (с уровнем освещенности 10"5лк) оптического излучения нестационарных и стационарных процессов в широком спектральном диапазоне от ультрафиолетовой (УФ) до ближней инфракрасной (ИК) области спектра используются электронно-оптические устройства, построенные на основе многокамерных электронно-оптических преобразователей (ЭОП) изображения. Интенсивность излучения изучаемого оптического явления здесь мала либо по причине кратковременного характера протекания процесса, либо по своей природе из-за малой мощности источника непрерывного излучения. В этом случае используется прямой метод измерения по оптическому излучению пространственно-энергетических характеристик изучаемого физического явления. По сути своей ЭОП является высокочувствительным и точным оптическим информационно-измерительным устройством, внедренным в исследуемый физический процесс.
Указанные системы и устройства имеют свою специфику в построении и принципе действия и одновременно обладают общими свойствами и объединяющими качествами.
При проведении исследований в ядерной физике, электронике СВЧ, импульсной технике, полупроводниковой радиоэлектронике, физике горения и взрыва, в области динамического нагружения твердых тел, в криоэлектронике на основе низко- и высокотемпературной сверхпроводимости, в области атмосферного электричества и других исследованиях регистрация однократных процессов длительностью- 10"-г 10""с часто является единственным способом познания сущности физических явлений. Весьма важная информация о таких процессах может быть получена с помощью скоростных осциллографов, построенных на широкополосных электронно-лучевых трубках типа бегущей волны (ЭЛТБВ), рассчитанных на воспроизведение электрических сигналов малой амплитуды (менее 1В) в диапазоне частот от нуля до нескольких сотен и тысяч мегагерц.
Потребность ведущих отраслей науки и техники в создании новых, более современных методов и средств радиотехнических измерений для обеспечения : экспериментальных исследований поставили перед учеными-специалистами но-вые проблемы по повышению быстродействия, увеличению чувствительности и точности измерений, расширению функциональности и автоматизации процесса обработки информации осцшшэграфической аппаратуры, предназначенной для регистрации однократных и редко повторяющихся импульсных сигналов в нано-и пикосекундном диапазоне длительностей.
Основы методов регистрации однократных процессов заложены в работах И.С. Стекольникова, М.М. Филиппова, Н.С. Намана, Б.А. Уточкина, А.Ф. Денисова и других российских и зарубежных ученых. Прикладные вопросы импульсных измерений развиты в работах М.И. Грязнова, З.А. Вайнориса, Ю.А. Каме-нецкого' и др. СВ. Денбновецким и др. разработаны методы масштабно-временного преобразования однократных сигналов на базе запоминающих электронно-лучевых трубок (ЗЭЛТ). Ю.А. Рябининым, Э.Х. Херманисом, А.И. Найденовым развита теория вопросов стробоскопического преобразования
временного масштаба периодических сигналов. Разнообразие требований к ос-циллографической аппаратуре, являющейся наиболее совершенным средством преобразования информации об исследуемом процессе в форму, удобную для визуального наблюдения и измерения, привело к развитию ряда отдельных направлений исследований.
Однако отдельные методы измерений или не дают полной информации о сигналах (интегральный метод), или не позволяют реализовать точность измерения при регистрации каждой посылки сигнала, или непригодны для исследования неповторяющихся сигналов (стробоскопические), имеют сравнительно низкую чувствительность в диапазоне свыше 200 МГц, или достаточно сложны и непригодны по совокупности характеристик для решения измерительных задач, связанных с исследованием однократных сигналов.
Перспективным направлением при исследовании неповторяющихся сигналов является скоростное осциллографнрование на ЭЛТБВ в реальном масштабе времени, осуществляющее регистрацию сигнала по каждой его посылке. Наибольший интерес при этом представляет измерение характеристик однократных сигналов малой амплитуды (милливольтового уровня) в диапазоне пикосекунд.
Однако развитие этого перспективного направления радиоизмерительной техники и недостаточно широкое распространение скоростных осциллографов этого диапазона было ограничено целым рядом причин.
Главная проблема в скоростной осциллографии на момент постановки работы заключалась в резком уменьшении интенсивности свечения осциллограммы однократного процесса длительностью короче 10'7с для универсальных осциллографов и длительностью менее 10"9c для широкополосных скоростных.
Недостаточная скорость фотозаписи при осциллографировании указанных процессов приводила к невозможности регистрации изучаемого физического процесса любым известным способом, что существенно ограничивало диапазон регистрации бысгропротекаюших процессов.
Вторая проблема связана с относительно невысокой чувствительностью какала вертикального отклонения скоростного осциллографа и объясняется из-
вестным противоречием между полосой пропускания, скоростью фотозаписи и разрешающей способностью, с одной стороны, и чувствительностью отклонения, с другой. Это обстоятельство ограничивает амплитудный уровень исследуемых сигналов в лучшем случае значениями порядка 1В.
В связи с вышеизложенным возникла первая актуальная проблема разработки и создания специализированной осциллографической аппаратуры, сочетающей в себе предельно возможные на определенном этапе времени быстродействие, высокую чувствительность и точность измерений в широком диапазоне частот для исследования однократных импульсных процессов нано- и пикосекунд-ной длительности в указанных областях физики, а также выполнения самих физических экспериментов.
Вторая актуальная задача заключается в разработке и создании электронно-оптических регистраторов слабосветящихся процессов.
Появление многокамерных электронно-оптических преобразователей (ЭОП) изображения послужило основой для разработки универсальной научной электронно-оптической аппаратуры и создания нового перспективного метода регистрации и измерения параметров быстропротекающих процессов. Электронно-оптические преобразователи являются основой техники прямых измерений однократных неповторяющихся процессов с разрешением во времени к10""с и менее.
В настоящее время электронно-оптическая регистрация нестационарных и стационарных слабосветящихся процессов прочно вошла в исследовательскую практику как с позиции разработки самих методов и создания соответствующей научной оптико-электронной аппаратуры, так и широкого применения в:различ-ных областях физического эксперимента.
Широкий размах начали приобретать применение ЭОП и электронно-оптических усилителей яркости в ядерной физике, астрономии, в исследовании искрового разряда, высокоскоростной фотографии, физике плазмы, для измерения сверхслабых оптических сигналов, для визуализации оптического излучения
за пределами границ спектральной чувствительности глаза, а также в биологии и в др. областях.
По-прежнему актуальны задачи совершенствования методов и средств электронно-оптической регистрации, а также расширения областей их применения в научных исследованиях.
Поэтому проблема регистрации и исследования малых по интенсивности видимого и ИК-излучения физических объектов и процессов остается острой в физике твердого тела, автоионной и автоэлектронной микроскопии, физике газового разряда, оптоэлектронике, физике атмосферы и в других областях.
Все вышеизложенное свидетельствует об актуальности и важности проблем создания и совершенствования аппаратуры для исследования однократных быс-тропротекающих и слабосветящихся процессов для народного хозяйства и обороны страны.
Цель работы. Комплексная проблема, решению которой посвящена данная работа, заключается в разработке и создании научно-технической основы для аппаратурного исследования однократных быстропротекающих импульсных процессов наш- и пикосекундной длительности, а также слабосветящихся объектов, и базы ее применения в исследовательской практике перспективных научных направлений.
Диссертационная работа подводит итог исследованиям, выполненным автором в течение 30 лет в НИИ электронных приборов (г. Фрязино); в Проблемной радиофизической лаборатории МГПИ (г. Москва); в Вятском государственном педагогическом университете (г. Киров); в НИИ математики и механики ЛГУ (г. Ленинград) и посвящена решению следующих научных, научно-технических и методических задач:
— теоретического исследования и анализа методов повышения яркости осциллограмм на экране ЭЛТ СВЧ диапазона с точки зрения получения максимальных значений световой эффективности и разрешающей способности;
разработки и создания широкополосных осциллографических ЭЛТБВ с высокой скоростью записи на основе применения волоконной оптики и ЭОП как внешних, так и встроенных в ЭЛТ;
построения скоростной осциллографической установки для регистрации и исследования однократных и редко повторяющихся импульсных сигналов нано- и пикосекундной длительности;
повышения чувствительности канала вертикального отклонения ОСЦИЛЛО-графической установки путем предварительного широкополосного усиления исследуемого сигнала;
регистрации и измерения однократных импульсных сигналов нано- и субнаносекундной длительности в милливольтовом диапазоне амплитуд;
определения способов автоматического считывания осциллограмм с экрана ЭЛТ с помощью внешних ЭВМ и калибровки параметров установки;
— применения скоростного осциллографирования в научном физическом
эксперименте;
методологии построения электронно-оптических индикаторов на основе ЭОП;
применения метода электронно-оптической регистрации для изучения слабосветящихся физических процессов в научных исследованиях;
— разработки методики, техники и вопросов применения электронно-
оптической регистрации в учебном физическом эксперименте.
Это предопределило содержание работы, состоящей из двух частей, разделенных на семь глав.
Основные положения, выносимые на защиту:
1. Для осциллографических систем регистрации и измерения однократных импульсных сигналов и процессов в нано- и пикосекундном диапазонах длительности, с целью достижения предельных значений скорости фотозаписи, чувствительности к отклонению, разрешающей способности и точности в совокупности, целесообразно использовать:
а) встроенные в ЭЛТ фотоэлектронные усилители яркости,
б) волоконно-оптические планшайбы в качестве выходного экрана ЭЛТ,
в) внешние многокамерные электронно-оптические усилители яркости изо
бражения, оптически связанные с трубкой.
Наилучшие результаты, с точки зрения экономичности при сохранении высоких качественных показателей, дает сочетание встроенных в ЭЛТ фотоэлектронных усилителей с применением волоконно-оптических планшайб.
2. Теоретические и экспериментальные исследования осциллографических
систем на ТБВ с применением указанных устройств позволяют утверждать, что:
а) скорость фотозаписи может достигать 6-105км/с, что обеспечивает иссле
дование и регистрацию однократных импульсных процессов длительно
стью 50+100 пс при уровне сигнала от 10 мВ;
б) при ширине линии луча 100 мкм может быть достигнута разрешающая
способность Юлин/мм и точность амплитудных измерений, соответст
вующая погрешности ±5% при вышеуказанной скорости записи.
3. Показано, что на основе разработанных систем с высокой чувствительно
стью и скоростью записи возможно проведение уникальных физических экспе
риментов в нано- и пикосекундном диапазонах длительности, в частности воз
можно:
исследовать эффекты влияния магнитного поля на процессы возбуждения колебаний в диодах Ганна с частотой колебаний 3 ГГц и более;
проводить измерение времен релаксации неосновных носителей заряда в полупроводниках порядка 10"'с;
исследовать явления ударно-волнового воздействия импульсного электронного пучка на металлические преграды (сигналы милливольтового уровня);
исследовать механизм взаимодействия импульсного лазерного излучения с металлическими преградами;
исследовать явления релаксации в высокотемпературных сверхпроводниках; проводить измерение быстрой фазы релаксации («10""с).
4. Полученные теоретические и экспериментальные результаты позволяют
утверждать, что при исследованиях и оптической регистрации слабосветящихся
физических объектов с использованием многокамерных ЭОП, разработанные
высокочувствительные устройства обеспечивают достижение предельно возмож
ных значений коэффициента усиления яркости, низкого уровня шумов в широ
ком спектральном диапазоне, высокой разрешающей способности, в совокупно
сти, в том числе:
— значения коэффициента усиления яркости 106 раз;
— уровня шума 10"' электронов в секунду на разрешенный элемент в диапа
зоне 400+1500 нм;
— разрешающей способности 30 штрихов/мм.
5. Экспериментальные исследования позволяют утверждать, что достигну
тые минимальные значения яркости обнаруживаемых (регистрируемых) физиче
ских объектов обеспечивают изучение нестационарных слабосветящихся и раз
рядных процессов в газах и на поверхности твердых тел с уровнем освещенности
порядка 10"5 лк; явлений лавинного пробоя в быстродействующих фотодиодах,
явления адсорбции, а также решение проблемы визуализации поля направлений
в многоканальной системе обзора окружающего пространства и наблюдения фи
зических объектов.
6. Заложенные методологические основы применения электронно-
оптических преобразователей в разработанных учебных экспериментальных ус
тановках позволили углубить представление учащихся в области волновой опти
ки, квантовой оптики и ряда разделов атомной физики, обеспечили повышенную
наглядность наблюдаемых процессов, что, таким образом, позволило:
— предложить новый метод визушшзации слабых видимых и ИК-издучений излучений для демонстрации явлений дифракции и интерференции, основанный на предельно высокой чувствительности и предельно высоком коэффициенте усиления яркости;
— разработать цикл новых лекционных демонстраций и лабораторных работ по курсу общей физики для средних и высших учебных заведений с использованием созданных автором экспериментальных установок на основе ЭОП.
Научная новизна работы заключается в решении важной научно-технической проблемы создания оптоэлектронных информационно-измерительных систем с ранее недостижимыми в комплексе характеристиками по скорости записи, чувствительности, временному и амплитудному разрешению и автоматизации измерений в широком диапазоне амплитуд и длительностей и разработке методологии физического эксперимента с использованием таких систем для регистрации и измерения параметров однократных быстропротекающих и слабосветящихся процессов.
К наиболее важным новым научным результатам, полученным в диссертации, относятся следующие:
-
Предложены новые подходы к решению комплексной проблемы существенного повышения скорости записи, чувствительности и разрешающей способности осциллографической системы нано- и пикосекундного диапазонов.
-
На базе предложенных методов совместно с НИИЭГТР и НИИПФ разработаны принципиально новые широкополосные осциллографические ЭЛТБВ с высокой скоростью записи на основе применения волоконной оптики и встроенных ЭОП.
-
Предложены и разработаны новые методы проведения физического эксперимента на основе высокочувствительных осциллографических систем с использованием разработанной аппаратуры, внедренной в эксперимент.
-
Предложены и разработаны устройства регистрации слабосветящихся объектов с ранее недости/ашым уровнем излучения светового потока.
-
Разработаны уникальные устройства регистрации (применительно к аппаратуре для слабосветящихся процессов).
-
Внедрены в учебный процесс новейшие научные достижения в области жеперименталыюй физики на основе использования информационных
систем регистрации и измерения однократных быстропротекающих и слабосветящихся процессов.
Новизна основных положений диссертационной работы подтверждается авторскими свидетельствами на изобретения и приоритетными публикациями в научных журналах.
Практическая значимость и внедрение результатов работы. На основе диссертационной работы разработаны и созданы осциллографические устройства для регистрации и измерения однократных импульсных сигналов в диапазоне длительностей 10"7 -г 10'"с с милливольтовым уровнем амплитуд:
Осцшшографическая установка на основе универсального осциллографа С1-97 и двухкамерного ЭОП типа 6ЭП21МГ для измерения однократных милливольтовых сигналов в диапазоне частот 0+350 МГц;
осцшшографическая установка на основе скоростного осциллографа С7-15 и трехкамерного ЭОП типа У-72М<для регистрации и измерения однократных сигналов амплитудой менее вольта в диапазоне частот 0 -г 5000 МГц.
Результаты диссертационной работы внедрены на ряде ведомственных предприятий бывших Министерств оборонной промышленности, Министерств общего и среднего машиностроения, электронной промышленности для обеспечения работ в соответствии с Постановлениями Правительства (см. Приказ MB и ССО № 85 от 11 декабря 1989 года), а также в воинской части Министерства обороны для проведения испытаний технических средств на помехоустойчивость к электромагнитным воздействиям (в/ч 51105 г. Загорск, Моск. обл.).
Действующие экспериментальные образцы осциллографических устройств и электронно-оптических индикаторов используются в исследовательской практике ряда НИИ и вузов России и ближнего зарубежья в области регистрации однократных электрических и сверхслабых оптических процессов, в частности в НИИ Математики и механики Санкт-Петербургского университета, в Проблемной лаборатории атмосферного электричества и аэрозолей Тартуского госуниверситета.
Личный вклад автора. Все основные научные положения, выводы и рекомендации предложены соискателем. Кроме того, соискателем сформулированы основные идеи защищаемых методов, методик и критериев.
Впервые реализован способ кардинального увеличения скорости фотозаписи в скоростной осциллографии. Впервые показана возможность создания широкополосной ЭЛТБВ с экраном из стекловолоконного диска. Предложена конструкция широкополосной трубки, которая объединяет в одном объеме ЭЛТ и камеру усиления по току электронного изображения осциллограммы, что позволило более чем на порядок увеличить скорость фотозаписи осциллографических трубок. Разработано устройство регистрации скрытого оптического изображения на выходе многоканальной системы обзора.
Получены новые экспериментальные результаты при исследовании режимов работы импульсных магнетронов, исследовании влияния магнитного поля на возбуждение колебаний при эффекте Ганна; впервые показаны возможности использования ЭОП изображения в учебном физическом эксперименте.
Апробация работы. Основные положения работы были доложены и обсуждались на Всесоюзных и Всероссийских конференциях, Международных симпозиумах и конгрессах:
9, 10, 13, 14, 17, 18 Всесоюзных научно-технических конференциях «Высокоскоростная фотография, фотоника и метрология быстропротекающих процессов» (Москва: 1978,1981,1987,1989,1995, 1997 гг.),
Второй Всесоюзной научно-технической конференции по ЭЛП и ФЭП (Нальчик, 1967 г.),
Втором Всесоюзном Симпозиуме по атмосферному электричеству (Ленинград, 1984 г.),
Всероссийской конференции «Учебный физический эксперимент на рубеже ХХГ века» (Глазов, 1995 г.),
14 Международном Конгрессе по высокоскоростной фотографии и фотони-ке (Москва, 1980 г.),
Международном симпозиуме по электромагнитной совместимости (Санкт-Петербург, 1993 г.),
Международной конференции «Проблемы учебного физического эксперимента» (Глазов, 1996 г.),
Всесоюзном семинаре по теоретическим вопросам полупроводниковой электроники СВЧ (Москва, МГПИ, 1984 г.),
Технологическом семинаре (Фрязино, 1985 г.),
Региональной конференции «Научно-технический потенциал вузов - народному хозяйству» (Киров, 1989 г.),
Всероссийской конференции "Высокие технологии в радиоэлектронике" (Нижний Новгород, 1996 г),
23 Международном Конгрессе по высокоскоростной фотографии и фотони-ке (Москва, 1998 г.),
На научных семинарах Проблемной радиофизической лаборатории Московского госпединстчтута, лаборатории физической механики НИИ Математики и механики Ленгосуниверситета,
На итоговых научных конференциях и сессиях Кировского госпединститута и Вятского госпедушшерситета (Киров, 1972-1988; 1992-1998 гг.),
Всего по теме диссертации сделано более 40 докладов.
Работа получила апробацию также в ведомственных предприятиях, научно-исследовательских институтах и вузах при выполнении и защите 10 НИР, по которым диссертант был научным руководителем и ответственным исполнителем (см. Приложение).
За комплекс работ по исследованию и разработке нового метода осцилло-графической регистрации однократных сигналов нано- и пикосекундной длительности и создание нескольких модификаций скоростных регистраторов и внедрение их в исследовательскую практику ряда ведомственных, организаций и НИИ автор Постановлением ГК №80711 от 31.10.88 награжден серебряной медалью ВДНХ СССР в 1988 г. по межотраслевой выставке «Изобретательство и рационализация -88».
За разработку и создание электронно-оптического индикатора сверхслабого свечения автор отмечен золотой медалью ВДНХ СССР в 1987 г. по выставке «Научно-техническое творчество студентов педвузов» (Постановление №1015-Н от 21.10.87), а также серебряными медалями ВДНХ СССР (Постановления ГК №446-Нот 5.07.77 и №634-Н от 29.09.78),
Публикации. По теме диссертации опубликовано более 50 научных работ. Предложенные технические решения защищены авторскими свидетельствами на изобретения и медалями ВДНХ.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, двух частей, включающих семь глав, заключения, списка литературы и приложений.