1. На главную
  2. Электронные версии
  3. Приборы и техника эксперимента
  4. № 3, 2020

Приборы и техника эксперимента, 2020, № 3, стр. 86-89

ЭЛЕКТРОННО-ОПТИЧЕСКАЯ КАМЕРА ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОЦЕССОВ В НАНО- И МИКРОСЕКУНДНОМ ДИАПАЗОНЕ

К. А. Алабин a, Н. С. Воробьев a, *, А. И. Заровский a, В. И. Пелипенко a, Н. З. Чиковани b

a Институт общей физики им. А.М. Прохорова РАН
119991 Москва, ул. Вавилова, 38, Россия

b Государственное научно-производственное объединение “Сухумский физико-технический институт”
384914 Сухум, Синоп, Кодорское шоссе, 665, Республика Абхазия

* E-mail: vor@kapella.gpi.ru

Поступила в редакцию 09.12.2019
После доработки 09.12.2019
Принята к публикации 12.12.2019

Полный текст (PDF)

Аннотация

На основе электронно-оптического преобразователя ПИФ-01 создана хронографическая электронно-оптическая камера, предназначенная для получения пространственно-временной информации при исследовании световых процессов в нано- и микросекундном диапазоне. Длительность разверток может изменяться в пределах от 0.5 до 10 мкс на экране камеры диаметром 25 мм с предельным временным разрешением ≤2 нс. Приведены примеры применения разработанной камеры для спектрально-временных измерений процессов в экспериментах по исследованию электровзрыва вольфрамовых проволочек.

ВВЕДЕНИЕ

Среди богатого арсенала исследовательских методов и средств, применяемых в современной экспериментальной физике, особое место занимает хронография быстропротекающих процессов с использованием времяанализирующих электронно-оптических преобразователей (э.о.п.). В настоящее время это прямой метод регистрации изображений, одним из главных преимуществ которого является возможность получения многоканальной пространственной информации об исследуемых процессах в широком спектральном и временном диапазонах. Созданные на основе э.о.п. электронно-оптические камеры (э.о.к.) могут регистрировать как весь быстропротекающий процесс, так и его отдельные фазы.

В настоящее время дальнейшее развитие электронно-оптической хронографии связано в основном с освоением субпикосекундного диапазона. Японская компания Hamamatsu Photonics выпустила стрик-камеру модели FESCA-100 C11853-01 с предельным временным разрешением ~100 фс [1]. Однако и более “медленные” камеры нано- и микросекундного диапазона благодаря возможности получения двухмерных изображений, по-прежнему, находят широкое применение, например, в исследованиях процессов горения, детонации и взрывов, в физике плазмы, исследованиях электрических пробоев и разрядов и др. [2–5].

Среди отечественных э.о.к., используемых в таких экспериментах, следует отметить камеру К008 [6, 7] (компания БИФО), имеющую два режима работы: однокадровый и режим линейной развертки. Временной диапазон линейной развертки, обеспечиваемый двумя сменными блоками управления, составляет от 1 нс/cм до 300 мкс/см. В [8] в качестве временного регистратора использовалась э.о.к. СФЭР-6 (НИИИТ) для исследования импульсных плазменных потоков, создаваемых в Z-пинчевых системах. Максимальная длительность развертки этой камеры ~75 мкс при диаметре экрана 22 мм. Из зарубежных э.о.к. нужно упомянуть Imacon 790 (Hofstra group), снабженную двумя модулями разверток: кадровой и линейной [9], с диапазоном перестройки последней от 100 нс до 1 мкс/см (в опционном предложении от 10 нс до 1 мс/см).

В данной работе представлена разработанная в ИОФ РАН э.о.к., работающая в режиме линейной развертки в нано- и микросекундном диапазоне, приведены ее основные характеристики, а также пример использования этой камеры в физическом эксперименте.

ХАРАКТЕРИСТИКИ КАМЕРЫ

Описываемая камера изготовлена на основе э.о.п. ПИФ-01 [10], усилителя яркости ЭП-10 и конструктивно оформлена в корпусе камеры PS-1/S1 [11]. Основные технические характеристики камеры представлены ниже:

Спектральный диапазон регистрируе- 400–800
мого излучения (фотокатод S20), нм
Диаметр фотокатода, мм 6
Пространственное разрешение ≥20
в центре фотокатода, пар линий/мм
Электронно-оптическое увеличение 1.7 ± 0.2
Коэффициент преобразования изменя- от 102 до 104
ется ступенчато
Длительности разверток, мкс, на экране диаметром 25 мм 0.5, 1.0, 2.0, 5.0, 10.0
Нелинейность разверток, % ≤±10
Время срабатывания, нс ≤40
Предельное временное разрешение, нс ≤2
Частота калибровочных меток, МГц 1.25 ± 0.0125,
  2.5 ± 0.025,
  5 ± 0.05,
  10 ± 0.1,
  20 ± 0.2
Напряжение питания, В, частотой 50 Гц 220
Потребляемая мощность, Вт ≤100 Вт

Запуск камеры осуществляется импульсами положительной полярности амплитудой ≥5 В и длительностью по уровню 0.5 не менее 10 нс. В камере предусмотрена автоблокировка для исключения повторных запусков.

Особенностью изготовленной э.о.к. является наличие встроенного в корпус камеры кварцевого генератора калибровочных меток времени, формирующего синхронизированную с разверткой серию оптических импульсов заданной частоты, испускаемых лазерным диодом мощностью 5 мВт, входящим в комплектацию камеры. Использование калибровочных меток позволяет осуществлять проверку длительности и линейности разверток непосредственно в процессе эксперимента. На рис. 1 представлена фотография зарегистрированных световых меток с частотой следования 10 МГц, иллюстрирующая процесс калибровки длительности и нелинейности развертки 1 мкс, и их микрофотограмма. Запись и цифровая обработка полученного изображения осуществлялись п.з.с.-камерой (п.з.с. – прибор с зарядовой связью) модели C8484-05G (Hamamatsu).

Рис. 1.

Фотография световых меток (вверху) и их микрофотограмма (внизу). Развертка – 1 мкс, частота меток – 1 МГц.

С помощью разработанной камеры на установке “Гелиос-1” в Сухумском физико-техническом институте была исследована динамика поведения оптического спектра излучения электровзрыва вольфрамовой проволочки. В экспериментах использовался спектрометр, формирующий пространственно разделенные спектральные линии излучения плазмы, возникающей при взрыве. Проекционный объектив отображал этот спектр с необходимым коэффициентом уменьшения (увеличения) на фотокатод камеры, которая разворачивала его во времени. Взаимно перпендикулярное расположение выходной щели спектрометра и входной щели э.о.к. (метод скрещивания) обеспечивало регистрацию двухмерных спектрально-временных картин излучения плазмы.

Результаты исследования динамики поведения спектральной линии водорода во времени с помощью камеры показали, что время появления линии Hα составляет ~100 нс от начала разряда и не зависит от параметров проволочки и условий проведения эксперимента. На рис. 2 представлены фотографии развертки оптического спектра плазмы при электровзрыве, полученные в двух разных экспериментах. Как видно из рисунка, спектральная линия водорода (Hα) появляется в одно и то же время от начала развертки, несмотря на то что в опыте № 195 предварительный прогрев проволочки не проводился. Этот факт свидетельствует о том, что водород, наблюдаемый в спектрах излучения, не растворен в объеме проволочки.

Рис. 2.

Фотография развернутого оптического спектра при электровзрыве вольфрамовой проволочки. Длительность развертки 2 мкс.

Появление линии водорода раньше сплошной (планковской) составляющей спектра позволяет утверждать, что водород не связан с наличием воды на стенках колбы и конструкционных частях установки. Согласно приведенным снимкам, динамика сплошной (планковской) части спектра во времени различается для разных экспериментов, что, по-видимому, определяется их условиями.

Кроме того, достаточно высокое пространственное разрешение камеры позволило зарегистрировать и исследовать динамику поведения нескольких наиболее ярких спектральных линий. Ими оказались: дублет спектральных линий Na (588.99 нм и 589.59 нм, спектральное разрешение спектрометра не позволяло его разделить) и линия углерода (580.52 нм). Дублет во всех сериях экспериментов появляется одновременно с линией Hα и повторяет ее динамику, однако на данном этапе сложно назвать причину появления натрия в спектрах. Наличие спектральных линий углерода, по нашему мнению, свидетельствует о попадании паров масла из форвакуумной части установки.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Разработана и изготовлена хронографическая электронно-оптическая камера с встроенным генератором оптических калибровочных меток, работающая в диапазоне длительностей разверток от 0.5 до 10 мкс. Результаты применения микросекундной э.о.к. в экспериментах по исследованию динамики излучения плазмы, возникающей при электровзрыве вольфрамовой проволочки, подтвердили ее технические возможности и надежность в эксплуатации.

Список литературы

  1. Hamamatsu News. 2017. Issue. 02. P. 32.

  2. Волков А.А., Гребенев Е.В., Дыдыкин П.С., Ермолович В.Ф., Иванов М.М., Ивановский А.В., Каре-лин В.И., Орлов А.П., Репин П.Б., Савченко Р.В., Селемир В.Д., Селявский В.Т. // ЖТФ. 2002. Т. 72. В. 5. С. 115.

  3. Basko M.M., Drozdovskii A.A., Golubev A.A., Gubskii D.D., Iosseliani S.M., Kantsyrev A.V., Karpov M.A., Kuznetsov A.P., Novozhilov Yu.B., Pronin O.V., Savin S.M., Sasorov P.V., Sobur D.A., Sharkov B.Yu., Yanenko V.V. // Physics of Particles and Nuclei Letters. 2008. V. 5. № 7. P. 582. https://doi.org/10.1134/S1547477108070091

  4. Fan Ye, Yi Qin, Shuqing Jiang, Feibiao Xue, Zhenghong Li, Jianlun Yang, Rongkun Xu, Anan’ev S.S., Dan’ko S.A., Kalinin Yu.G. // Review of Scientific Instruments. 2009. V. 80. P. 106105-1. https://doi.org/10.1063/1.4974771

  5. Кравченко А.Г., Литвин Д.Н., Мисько В.В., Сеник А.В., Стародубцев К.В., Тараканов В.М. // ПТЭ. 2014. № 2. С. 90. https://doi.org/10.7868/S0032816214020190

  6. Лебедев В.Б., Фельдман Г.Г., Карпов М.А., Фёдоров А.В., Меньших А.В., Назаров Д.В., Финюшин С.А., Давыдов В.А. // SPIE. 2005. V. 5580. P. 881.

  7. Митрофанов К.Н., Крауз В.И., Мялтон В.В., Виноградов В.П., Виноградова Ю.В., Грабовский Е.В., Данько С.А., Зеленин А.А., Медовщиков С.Ф., Мо-кеев А.Н. // Физика плазмы. 2014. Т. 40. № 2. С. 134. https://doi.org/10.7868/S0367292114020036

  8. Ананьев С.С., Данько С.А., Мялтон В.В., Калинин Ю.Г., Крауз В.И., Виноградов В.П., Виноградова Ю.В. // ВАНТ. 2013 Т. 36. № 4. С. 102.

  9. https://hofstragroup.com/nanosecond-imaging.html // Imacon 790 Streak and Framing Camera.

  10. Degtyareva V.P., Kulikov Yu.V., Monastyrskiy M.A., Platonov V.N., Postovalov V.E., Prokhorov A.M., Ulasyuk V.N., Ushakov V.K. // SPIE. 1984. V. 491. P. 239.https://doi.org/10.1117/12.967917

  11. Воробьев Н.С., Горностаев П.Б., Лозовой В.И., Смирнов А.В., Щелев М.Я., Шашков Е.В. // ПТЭ. 2016. № 4. С. 72. https://doi.org/10.7868/S0032816216030289

Дополнительные материалы отсутствуют.

Инструменты

следующая статья выпуска предыдущая статья выпуска содержание выпуска

Приборы и техника эксперимента

Архивы выпусков Информация о журнале Отправить рукопись в журнал