Приборы и техника эксперимента, 2022, № 3, стр. 135-140
РЕГИСТРАЦИЯ БЫСТРОПРОТЕКАЮЩИХ ПРОЦЕССОВ СКОРОСТНОЙ КАМЕРОЙ НАНОГЕЙТ-22/16
С. И. Герасимов a, b, d, *, М. И. Крутик c, В. С. Роженцов a, А. Г. Сироткина b, К. В. Тотышев a
a РФЯЦ-ВНИИ экспериментальной физики
607190 Саров, Нижегородской обл., просп. Мира, 37, Россия
b Саровский физико-технический институт − филиал НИЯУ “МИФИ”
607186 Саров, Нижегородской обл., ул. Духова, 6, Россия
c Научно-производственное предприятие “НАНОСКАН”
107076 Москва, ул. Стромынка, 18, Россия
d Институт проблем машиностроения РАН — филиал Института прикладной физики РАН
603024 Нижний Новгород, ул. Белинского, 85, Россия
* E-mail: s.i.gerasimov@mail.ru
Поступила в редакцию 11.11.2021
После доработки 30.11.2021
Принята к публикации 02.12.2021
- EDN: DNPHSQ
- DOI: 10.31857/S0032816222030028
Аннотация
Представлен способ регистрации быстропротекающих процессов на основе разработанной в России скоростной восьмиканальной шестнадцатикадровой электронно-оптической камеры НАНОГЕЙТ-22/16, предназначенной для регистрации серии из 8-ми или 16-ти кадров изображения быстропротекающих процессов в видимой области спектра. Приведены описание, принцип работы и методика использования камеры.
При регистрации быстропротекающих процессов, как правило, приходится сталкиваться с процессами, характеризующимися различными уровнями освещенности. Работа взрывных или ствольных разгонных устройств сопровождается излучением ударно сжатого газа при разлете продуктов детонации или горения в воздух; соударение ударника с преградой может сопровождаться образованием излучающей отраженной ударной волны или горением мелкодисперсных металлических частиц и т.д. При этом стандартные высокоскоростные камеры, работающие, как правило, с частотой, определяемой максимальным значением, при котором реализуется предельно возможное разрешение, не позволяют варьировать эту частоту с целью выделения разных фаз процесса, например, характеризующихся разным уровнем освещенности. Для того чтобы устранить этот недостаток, была разработана отечественная скоростная восьмиканальная шестнадцатикадровая электронно-оптическая камера (э.о.к.) НАНОГЕЙТ-22/16, предназначенная для регистрации серии из 8-ми или 16-ти кадров изображения быстропротекающих процессов в видимой области спектра (рис. 1).
Пылевлагозащищенный корпус э.о.к. обеспечивает возможность ее применения в условиях полигона.
Электронно-оптическая камера представляет собой 8-канальную систему, состоящую из одного входного объектива, зеркально-линзового блока разделения изображения на восемь каналов (дополнительный объектив, зеркальная восьмигранная призма, восемь зеркал) и самих электронно-оптических каналов (К1−К8). Данные, полученные в результате регистрации изображений быстропротекающего процесса, через восемь волоконно-оптических линий связи OPi передаются на трансивер, преобразующий сигналы на восьми оптических входах в сигнал на единственном выходе USB-3, который соединен с соответствующим входом компьютера. На мониторе персонального компьютера визуализируются все 16 зарегистрированных изображений.
Технические характеристики камеры
Камера имеет следующие характеристики:
− количество независимых электронно-оптических каналов − 8; в состав одного канала входит электронно-оптический преобразователь (э.о.п.) с модулями управления его работой, проекционный объектив с апертурой 0.32 и переменным масштабом переноса с экрана э.о.п. на цифровую систему считывания импульсного оптического изображения;
− число кадров, регистрируемых камерой при поступлении запускающего сигнала на вход “Пуск”, − 16;
− минимальный временной интервал между первыми восемью кадрами − 5 нс;
− число кадров, регистрируемых с каждого канала, − 2;
− временной интервал между двумя кадрами в каждом канале − 2.7−1000 мкс;
− спектральный диапазон чувствительности фотокатода э.о.п. − 380−800 нм;
− рабочий диаметр фотокатода − 18 мм;
− длительность стробирующего (затворного) импульса от 5 нс до 20 мкс;
− пространственное разрешение при всех значениях длительности строб-импульсов ≥36 пар линий/мм;
− временная задержка срабатывания затвора э.о.к. − от 100 нс до 4 мс;
− временная нестабильность (джиттер) запуска каждого канала э.о.к. ≤10 нс;
− режим многократной экспозиции (для восьмикадрового варианта) 1−4;
− напряжение на микроканальной пластине э.о.п. (определяет конкретное значение коэффициента преобразования э.о.п. и устанавливается с шагом 1 В) − 400−910 В;
− максимальная частота запуска камеры − 1 Гц;
− разрядность аналого-цифрового преобразователя 12 бит;
− размер фоточувствительной поверхности камеры на основе прибора с зарядовой связью (п.з.с.) 15.4 × 15.4 мм;
− тип развертки − прогрессивная;
− число пикселей ≥ 2048 × 2048;
− формат сохраняемого файла изображения − tiff;
− количество волоконно-оптических выходов для связи с компьютером − 8.
Параметры запускающих сигналов и импульса Синхр
Электронно-оптическая камера запускается внешним импульсом, поступающим на вход “Пуск”, со следующими параметрами:
− полярность − положительная;
− амплитуда 5−15 В;
− регулируемый уровень запуска 5−12 В;
− длительность фронта импульса ≤5 нс;
− длительность импульса 60−1000 нс;
− входное сопротивление 50 Ом;
− импульс синхронизации на выходе “Синхр” − положительный, уровня TTL, фронт которого упреждает фронт затворного импульса э.о.п. на 15−20 нс (Rнагр = 50 Ом).
Функциональные возможности
− Независимая установка значений длительности затворных импульсов, задержки открытия затворов и коэффициентов усиления для каждого канала.
− Раздельная и одновременная визуализация всех зарегистрированных изображений на компьютере в среде Windows 7 (Windows 10).
− Габаритные размеры (без объектива) 580 × × 300 × 330 мм.
− Масса ≤ 32 кг.
Каждый из восьми каналов (Кi) представляет собой электронно-оптический модуль. Все модули идентичны между собой. Структурная схема электронно-оптического модуля приведена на рис. 2.
Принцип работы электронно-оптического модуля в режиме однокадровой съемки быстропротекающего процесса основан на импульсном управлении (стробировании) э.о.п., синхронном считывании полученного импульсного изображения с его экрана п.з.с.-камерой и записи оцифрованного кадра в память компьютера в формате *tiff. Временные и энергетические параметры э.о.к. устанавливаются дистанционно с помощью программного обеспечения НАНОГЕЙТ.
После включения камеры и запуска программы управления НАНОГЕЙТ компьютера осуществляется установка параметров э.о.к.: длительности затвора э.о.п., задержки его срабатывания, коэффициента усиления э.о.п.
Регистрируемое изображение через входной объектив фокусируется на фотокатоде э.о.к. В момент прихода импульса Пуск через установленное время задержки (модуль программируемого формирователя временных интервалов) открывается затвор э.о.п. на время, также установленное при подготовке эксперимента (модули программируемого формирователя длительности затворных импульсов и формирователя высоковольтного наносекундного импульса). Одновременно формируется импульс, переводящий п.з.с.-матрицу в режим накопления. Прошедшие через затвор электроны усиливаются в микроканальной пластине э.о.п., коэффициент усиления которой определяется приложенным к ней напряжением (модуль программируемого высоковольтного источника питания). На выходе “Синхр” формируется импульс, фронт которого упреждает на 15−20 нс момент открытия затвора э.о.п.
Через высокоапертурный проекционный объектив с масштабом 1:1 импульсное и усиленное изображения переносятся на фоточувствительную поверхность п.з.с-матрицы. Накопленные в ячейках заряды считываются, преобразуются в цифровой код и передаются через одномодовый волоконно-оптический кабель на один из оптических разъемов восьмиканального трансивера. Выходной кабель USB-3 подключен к USB-входу промышленного компьютера.
Каждый из восьми каналов регистрирует два последовательных независимых кадра с интервалом от 2.7 мкс. Таким образом, при последовательном срабатывании от первого до восьмого каналов с интервалом 340 нс повторное срабатывание первого канала произойдет через 2.7 мкс.
Каждый канал может работать в режиме с многократной экспозицией. Затвор э.о.п. может открываться установленное количество раз при поступлении единственного импульса на разъем “Пуск”. Длительность всех затворных импульсов одинакова и равна установленному значению в окошке “Длительность”. Число затворных импульсов может устанавливаться от 1 до 4. Интервалы между повторяющимися импульсами задаются одинаковыми в диапазоне от 50 нс до 100 мкс.
Рабочая программа НАНОГЕЙТ обеспечивает возможность независимой установки параметров съемки индивидуально для каждого канала. После прихода импульса одновременно на все входы “Пуск” каждый э.о.п. срабатывает в соответствии с установленными параметрами (задержкой, длительностью экспозиции и напряжением на микроканальной пластине, определяющими коэффициент усиления), и все шестнадцать зарегистрированных изображений визуализируются на мониторе компьютера, отображая шестнадцать фаз быстропротекающего процесса.
Примеры использования камеры в условиях взрывного эксперимента и выстрела из легкогазовой установки приведены на рис. 3, 4.
В опытах со светочувствительными энергонасыщенными материалами было зарегистрировано распространение детонационной волны в пленках состава ВС-2 [1]. Согласно рис. 3, фронт детонационной волны имеет форму ломаной кривой, изменяющейся со временем. Указанное время на кадрах отсчитывается от момента появления инициирующего светового импульса газоразрядного протяженного излучателя [2].
Кадры на рис. 4 получены при регистрации соударения стального стержня длиной 300 мм на скорости 2.2 км/с с алюминиевой преградой толщиной 5 мм. В экспериментах для фоторегистрации применялся объектив с фокусным расстоянием 300 мм и диафрагмой 5.0. Настройки параметров э.о.к.: время экспозиции 240 нс, напряжение на э.о.п. 800 В. В эксперименте регистрация проводилась без использования внешней подсветки. Время на кадрах отсчитывалось от срабатывания контактного датчика, расположенного на преграде. Поскольку камера позволяет варьировать время между кадрами, в данном случае решались две задачи: определение появления светового импульса в начальной стадии соударения с визуализацией процесса пенетрации, а также регистрация светящейся зоны после прохождения преграды и деформации стержня. Для этого половина кадра перед преградой имеет светлый размеченный фон, а зона за преградой затемнена авиационным брезентом (авизентом).
Первые кадры получены с частотой 106 кадров/с, а заключительные − 2 · 104 кадров/с. Свечение в данном случае определяется зажиганием алюминиевых частиц, собираемых у торца стержня через 7−8 мкс после соударения. Область горения алюминиевых частиц сопровождает прохождение стержнем преграды, отставая от стержня к моменту времени 250 мкс, размеры области горения соизмеримы с линейным размером стержня.
Список литературы
Герасимов С.И., Илюшин М.А., Кузнецов П.Г., Путис С.М., Душенок С.А., Роженцов В.С. // Письма в ЖТФ. 2021. Т. 47. Вып. 3. С. 11. https://doi.org/10.21883/PJTF.2021.03.50567.18490
Герасимов С.И., Ерофеев В.И., Кикеев В.А., Кузьмин В.А., Тотышев К.В., Косяк Е.Г., Кузнецовa П.Г., Герасимова Р.В. // ПТЭ. 2020. № 5. С. 92. https://doi.org/10.31857/S0032816220040254
Дополнительные материалы отсутствуют.
Инструменты
Приборы и техника эксперимента