Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Приборы, приемники излучения и методы регистрации ионизирующего излучения солнца 15
1.1 Общие сведения об оптико-электронной аппаратуре для регистрации ионизирующего излучения Солнца на борту КА 15
1.1.1 Обобщенная схема оптико-электронного прибора для регистрации излучения Солнца па борту космического аппарата 15
1.1.2 Спектральный диапазон работы ОЭП для регистрации ионизирующего излучения Солнца 16
1.1.3 Аппаратурные и методологические трудности в создании и применении ОЭП для регистрации ИСИ на борту КА 18
1.2 Приборы, приемники излучения и методы регистрации ионизирующего излучения Солнца 21
1.2.1. Анализ состояния мониторингов ИСИ 21
1.2.2 Оптико-электронные приборы для измерения ИСИ 30
1.2.2.1 Типы оптико-электронных приборов для измерения ИСИ 30
1.2.2.2 Спектральные приборы для измерения ИСИ 32
1.2.2.3 Фотометры с дифракционной решеткой для измерения ИСИ 34
1.2.2.4 Фильтровые фотометры и радиометры для измерения ИСИ 35
1.2.3 Приемники излучения и методы регистрации ионизирующего излучения Солнца в спектральном диапазоне ДА, = 0,1-200 им 36
1.2.3.1 Типы приемников излучения и методы регистрации ИСИ 36
1.2.3.2 Широкодиапазониыс приемники мягкого рентгеновского и вакуумного УФ излучения (АХ = 0,1-200 им) 37
1.2.3.3 Приемники мягкого рентгеновского излучения (АЛ,—0,1—10 им)...42
1.2.3.4 Приемники крайнего УФ излучения (АХ = 10-121 им) 44
1.2.3.5 Приемники для измерения линии водорода (ДХ=121-122 им) 46
1.2.3.6 Приемники дальнего УФ излучения (ДА, - 122-200 им) 47
1.2.3.7 Учет влияния "солнечной слепоты" приемников излучения на качество измерения излучения Солнца в диапазоне 0,1-200 нм 49
1.3 Методология и аппаратура мониторинга "Космический солнечный патрулі/' 52
1.3.1. Методология мониторинга "Космический солнечный патрульм...52
1.3.2. КУФ спектрометр аппаратуры КСП 54
1.3.3. Фильтровой радиометр аппаратуры КСП 56
1.3.4. РУФ спектрометр аппаратуры КСП 60
Глава 2. Исследование и разработка принципов построения и модернизации фото приемного тракта аппаратуры КСП 64
2.1 Устройство и принцип работы фотоприемного тракта КСП (до модернизации КСП) 64
2.1.1. Аппаратурные принципы построения фотоприемного тракта для регистрации ИСИ (до модернизации КСП) 64
2.1.2. Устройство и принцип работы фотоприемного тракта КСП 67
2.2 Методики расчетов характеристик фотоприемпого тракта КСП 73
2.2.1. Методика расчета характеристик фотоприемного тракта, регистрирующего излучение в режиме счета фотонов 73
2.2.2. Методики расчета характеристик фотоприемного тракта КСП и основные ограничения на его схемно-технические параметры 78
2.3 Экспериментальные исследования характеристик фотоприемного тракта аппаратуры КСП 84
2.3.1. Исследование характеристик приемника излучения 84
2.3.1.1 Исследование амплитудного распределения импульсов с ВЭУ...84
2.3.1.2 Счетная характеристика вторично-электронного умножителя...,85
2.3.2. Исследование характеристик фотоприемного тракта КСП (перед модернизацией) 88
2.3.2.1 Временное разрешение предусилнтеля 88
2.3.2.2 Измерение токовой чувствительности предусилнтеля 89
2.3.2.3 Измерение пороговой чувствительности ИСС 90
2.3.2.4 Динамический диапазон измерения скорости счета импульсов с приемника излучения 90
2.4 Обоснование необходимости модернизации электронных устройств аппаратуры КСП 92
2.4.1 Обоснование перехода к новому ИСС 92
2.4.2 О необходимости модернизации ГКС 94
2.4.3 Учет характеристик приемника излучения при модернизации высоковольтных источников питания 95
2.5 Аппаратурные принципы построения фотоприемного тракта КСП с расширенным динамическим диапазоном измерения 96
2.6 Исследования по определению условий полного сбора сигнала солнечного излучения на фотокатоды ВЭУ в КУФ спектрометре 97
Выводы к Главе 2 100
Глава 3. Схемно-технические решения и аппаратурная реализация фотоприемного тракта в комплексе "космический солнечный патруль" 102
3.1 О модернизации аппаратуры "Космический солнечный патруль"102
3.2 Разработка измерителя скорости счета с динамическим диапазоном регистрации на шесть порядков 104
3.2.1. Исходные принципы построения измерителя скорости счета 104
3.2.2. Основные характеристики разработанного ИСС 104
3.2.3. Устройство и описание работы измерителя скорости счета 106
3.3 Разработка генератора контрольного сигнала для модернизированного ИСС 108
3.4 Создание высоковольтных источников питания приемников излучения с расширенным диапазоном регулировки 111
3.4.1. Принципы построения высоковольтных источников питания111
3.4.2. Структура высоковольтного источника питания 112
3.4.3. Преимущества модернизированного высоковольтного источника питании 113
3.5 О введении датчиков давления в аппаратуру "Солнечный патруль" 113
3.6 Разработка канала контроля ориентации аппаратуры "Солнечный патруль" на Солнце в КУФ спектрометре 115
Глава 4. Результаты лабораторных испытаний модернизированной аппаратуры КСП 119
4.1 О лабораторных испытаниях фотопприемного тракта и аппаратуры КСП 119
4.2 Спектральная калибровка РУФ спектрометра в УФ области спектра 120
4.3 Определение конструкции сегментированного фотодиода для капала контроля ориентации КУФ спектрометра на Солнце 128
Выводы к Главе 4 131
Заключение 132
Публикации автора 136
Литература 140
Приложение 1.
- Приборы, приемники излучения и методы регистрации ионизирующего излучения Солнца
- Методики расчетов характеристик фотоприемпого тракта КСП
- Разработка измерителя скорости счета с динамическим диапазоном регистрации на шесть порядков
- Спектральная калибровка РУФ спектрометра в УФ области спектра
Введение к работе
Актуальность темы
В последние десятилетия рост числа техногенных и природных катастроф привлек внимание широкого круга исследователей к мониторингу ионизирующего солнечного излучения (ИСИ) в мягком рентгеновском и крайнем ультрафиолетовом (КУФ) диапазонах, которое можно изучать только с космических аппаратов (КА). Данное излучение определяет состояние земной ионосферы и вносит существенный вклад в процессы и явления "Космической погоды", особенно в периоды вспышек на Солнце. Таким образом, для решения фундаментальных и прикладных задач солнечно-земной физики необходим полноценный постоянный мониторинг ИСИ у орбиты Земли с одновременным измерением абсолютных величин и спектрального состава солнечных потоков.
Существующие технические и методологические проблемы в создании аппаратуры (в том числе в разработке приемников излучения с высокой чувствительностью в рабочем спектральном диапазоне и "солнечно-слепых" к мощному излучению в ближней ультрафиолетовой, видимой и инфракрасной областях), породили отсутствие непрерывного мониторинга мягкого рентгеновского и КУФ излучения для диапазона длин волн А. = 0,8— 119 им [1-7]. Одним из наиболее перспективных путей к созданию этого мониторинга является осуществление проекта "Космический солнечный патруль" (КСП), который разрабатывается в ГОИ им. СИ. Вавилова. Аппаратура многоканального оптико-электронного комплекса КСП состоит из КУФ спектрометра нормального падения (АХ = 16-153 им), фильтровых радиометров (АХ = 0,14-157 нм) и рентгеновско- ультрафиолетового (РУФ) спектрометра скользящего падения (Д?^= 1,8-198 нм). Измерительные каналы приборов КСП используют уникальные "солнечно-слепые" приемники излучения - вторично-электронные умножители (ВЭУ) изготовления ГОИ с высокой чувствительностью к излучению короче 160 нм.
Аппаратура КСП предлагается к запуску на спутнике с солнечно-синхронной орбитой (эксперимент "Постоянный космический солнечный патруль"), а также планируется к опытной эксплуатации на солнечно-ориентированной платформе (СОП) Российского сегмента международной космической станции (МКС) на освещенном участке орбиты в ссанспом режиме (эксперимент "Солнечный патруль"). Необходимость создания мониторинга ИСИ на базе эксперимента "Постоянный КСП" поддержана в Резолюциях основных профилирующих международных организаций, в том числе Международной организацией по стандартизации (ISO). Для осуществления экспериментов необходимо отработать методологию и аппаратуру КСП для регистрации ИСИ, адаптировать комплекс КСП к условиям эксплуатации и осуществить его интеграцию с системами СОП и МКС.
Решение указанных задач весьма актуально, что обусловило выполнение данной диссертационной работы, посвященной исследованию, разработке, испытаниям и внедрению в комплекс КСП новых аппаратурных принципов и устройств в целях улучшения схемно-технических характеристик фотоприемного тракта КСП для регистрации ионизирующего солнечного излучения, а также обеспечения контроля ориентации приборов эксперимента "Солнечный патруль" на Солнце путем разработки специального канала в КУФ спектрометре КСП.
Цель работы состояла в исследовании, разработке и экспериментальной
отработке новых методов и устройств с улучшенными характеристиками для
регистрации ионизирующего солнечного излучения в фотоприемном тракте
аппаратуры КСП. В качестве объектов исследования выступают
измерительные и контрольные каналы многоканального
спектрометрического и радиометрического комплекса КСП. Выполнение данных работ потребовало:
- Исследовать методы регистрации, современное состояние и перспективы применения приемников излучения в спектральных и радиометрических
приборах для мониторинга ИСИ с КА в диапазоне длин волн ДА, = 0,1-200 им с написанием аналитического обзора.
- Разработать методики расчетов и экспериментально исследовать
характеристики фотоприемпого тракта КСП.
Исследовать и разработать аппаратурные принципы построения фотоприемного тракта КСП для регистрации ИСИ, используя в качестве параметра оптимизации расширение динамического диапазона измерения скорости счета импульсов с ВЭУ до 6 порядков.
На основе разработанных аппаратурных принципов определить и отработать новые конструктивные и схемно-технические решения для измерительных, контрольных и питающих устройств КСП: измерителя скорости счета (ИСС) импульсов с приемника излучения, генератора контрольного сигнала (ГКС) для проверки работы ИСС и высоковольтного преобразователя (ВВП) для питания ВЭУ.
Разработать методику определения условий полного сбора сигнала излучения на фотокатоды вторично-электронных умножителей в КУФ спектрометре и провести её экспериментальную отработку.
- Исследовать и разработать методику работы и конструкцию специального
канала контроля ориентации аппаратуры "Солнечный патруль" на Солнце в
КУФ спектрометре, путем использования в нулевом порядке спектра
дифракционной решетки сегментированного фотодиода определенной
конструкции.
Научная новизна работы заключается в том, что в ней впервые:
исследованы и разработаны принципы построения фотоприемного тракта КСП для регистрации ионизирующего излучения Солнца, где в качестве параметра оптимизации задано расширение динамического диапазона измерения скорости счета импульсов с вторично-электронного умножителя.
созданы методы и алгоритмы формирования измерителя скорости счета на основе двухканалыюго линейного логарифмического преобразователя
частоты в напряжение, вырабатывающего и суммирующего импульсы, длительность которых равна периоду следования входных импульсов с приемника излучения.
- разработана и исследована методика работы и конструкция специального канала контроля ориентации аппаратуры "Солнечный патруль" па Солнце в КУФ спектрометре, организуемого путем применения в нулевом порядке спектра дифракционной решетки сегментированного фотодиода предложенной конструкции в качестве координатного датчика.
На защиту выносятся
Методики расчетов и принципы построения фотоприемного тракта КСП (где в качестве параметра оптимизации задано расширение динамического диапазона измерения скорости счета импульсов с приемника излучения до 6 порядков), на основе которых разработаны схемно-технические решения и устройства, прошедшие экспериментальные исследования и испытания и принятые к эксплуатации в комплексе аппаратуры КСП.
Методы формирования и алгоритм работы измерителя скорости счета на основе двухканального линейного логарифмического преобразователя частоты в напряжение, вырабатывающего и суммирующего импульсы, длительность которых равна периоду следования входных импульсов с ВЭУ.
Методика работы и конструкция капала контроля ориентации на Солнце в КУФ спектрометре аппаратуры "Солнечный патруль", организуемого в нулевом порядке спектра отраженного решеткой излучения.
4. Методика определения условий полного сбора сигнала солнечного
излучения па фотокатоды ВЭУ, и результаты экспериментальных
исследований по корректировке параметров КУФ спектрометра и разработке
конструкции сегментированного фотодиода для канала ориентации
аппаратуры "Солнечный патруль" на Солнце.
Практическая значимость диссертации состоит в том, что на сё основе разработаны и использованы в комплексе аппаратуры "Космический солнечный патруль" следующие методы и устройства:
- методики расчетов и принципы построения фотоприемного тракта с
расширенным динамическим диапазоном измерения скорости счета
импульсов с приемника излучения;
- схемно-технические и конструктивные решения, позволившие
разработать и модернизировать электронные устройства измерительных
каналов (двухканальный измеритель скорости счета с расширенным
диапазоном регистрации, генератор контрольного сигнала для проверки
работы ИСС и высоковольтный преобразователь с расширенной
регулировкой питающего напряжения ВЭУ) и отказаться от их размещения
внутри герметичного отсека КА;
- специальный канал контроля ориентации аппаратуры космического
эксперимента "Солнечный патруль" на Солнце в КУФ спектрометре,
организуемый путем применения в нулевом порядке спектра дифракционной
решетки сегментированного фотодиода предложенной конструкции.
Реализация результатов работы
Результаты диссертационной работы в виде закопченных НИР и ОКР, методик и экспериментальных исследований внедрены: при разработке и доработке Эскизного проекта на аппаратуру космического эксперимента "Солнечный патруль" по договорам с ОАО РКК "Энергия" им. СП. Королева (Госконтракт Росавиакосмоса № 351-5383/02 от 15.03.02 по теме ОКР "МКС-Наука", дог. РКК "Энергия" №196 от 23.04.02 и №253 от 28.08.03) в 2002-2004 гг.; при выполнении НИР 14448-060-02/03 "Разработка космической аппаратуры для мониторинга интенсивности спектрального состава ультрафиолетового и мягкого рентгеновского излучения Солнца в области (0,14-157 им)" в 2002-2003 гг. и НИР 14448-060-04 "Оптимизация аппаратуры Космического солнечного патруля" в 2004 г., выполнявшихся по
государственным контрактам ГК №40.600.14.0011 и ГК №40.600.11.0019 во ФГУП ВНЦ ТОЙ им. СИ. Вавилова" в рамках ФЦНТП "Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития науки и техники" за 2002-2004 гг., а также применены при работе над проектом №1523 "Создание рентгеновского спектрометра для постоянного Космического солнечного патруля" Международного научно-технического центра (МНТЦ) в 2001-2002 гг.
Акты внедрения приложены к диссертации (см. Приложение 3).
Апробация работы
Основные результаты работы докладывались и обсуждались на:
1. Международных молодежных научных конференциях «XXVII
Гагаринские чтения», «XXX Гагариискис чтения» и «XXXI Гагаринские
чтения» (Москва, 2001, 2004,2005);
IV, V и VI Международных конференциях "Прикладная Оптика" (Санкт-Петербург, 2000, 2002,2004);
Объединенном научном семинаре Физико-Технического Института им. А.Ф. Иоффе и Санкт-Петербургского государственного политехнического университета (СПбГПУ) «Космическая физика» (Санкт-Петербург, 2002);
56 научно-технической конференции профессорско-преподавательского состава Санкт-Петербургского государственного электротехнического университета "ЛЭТИ" (Санкт-Петербург, 2003);
II конференции «Авиакосмические системы на базе микротехнологий» в рамках VIII выставки-конгресса «Высокие технологии. Инновации. Инвестиции» (Санкт-Петербург, 2003);
Этапе согласования и утверждения Эскизного проекта на аппаратуру космического эксперимента "Солнечный патруль" по теме "МКС-Наука" с отделами РКК "Энергия" им. СП. Королева (г. Королев, 2002-2004).
7. IV Международной конференции молодых ученых и специалистов
"Оптика-2005" (Санкт-Петербург, октябрь 2005).
По теме диссертации опубликовано 26 работ, включая тезисы и доклады в сборниках конференций и 10 статей в реферируемых журналах (список публикаций приводится в конце автореферата). В работах, выполненных в соавторстве, автор, в основном, занимался изложением электронных, фотоприемных и приборостроительных вопросов, непосредственно участвовал в получении, обработке и анализе экспериментальных данных.
Личный вклад автора
Все исследования, включенные в диссертацию, выполнены под руководством и непосредственном участии автора (в соавторстве по отдельным проблемам, см. список литературы с указанием соавторов работ). Автор являлся руководителем группы электроники и ответственным исполнителем научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ при разработке электронных блоков РУФ спектрометра КСП по гранту МНТЦ # 1523 "Создание рентгеновского спектрометра для постоянного Космического солнечного патруля" и при модернизации КУФ спектрометра и радиометра аппаратуры КСП. Им предложены аппаратурные принципы улучшения характеристик фотоприемного тракта приборов КСП. Автор непосредственно участвовал: в определении конструктивных и схемно-техпических решений для измерительных каналов КСП; в разработке, модернизации, создании и испытаниях устройств аппаратуры КСП, а также в калибровке длинноволновых каналов аппаратуры КСП на УФ лампах. Автором разработаны методика работы и конструкция канала контроля ориентации на Солнце в КУФ спектрометре аппаратуры «Солнечный патруль».
Приборы, приемники излучения и методы регистрации ионизирующего излучения Солнца
Обзоры, посвященные мониторингом ИСИ, приведены в публикациях [2,5,23,26,27,37-40]. Наиболее полные сведения об оптико-электронной аппаратуре и приемниках излучения для регистрации ИСИ, в недавно завершенных, действующих и планируемых КЭ за период 1990-2010 гг. собраны в таблице 1.1. Она представляет собой уточненный и дополненный автором (в частности, информацией о приемниках излучения) вариант таблиц, выполненных СВ. Авакяном для работ [38,41]. Анализ этой таблицы позволяет заметить, что:- в минувшее десятилетие было осуществлено 10 долговременныхкосмических мииторингов ИСИ, 4 из которых российские: ЭЛЕКТРО,И1ГГЕРБОЛ-1, КОРОНАС-И, КОРОНАС-Ф;- с прекращением работы в 2005 г. ИСЗ КОРОНАС-Ф, Россия не имеет- в настоящее время вся работа по измерениям ИСИ выполняется с помощью четырех КЭ: GOES, SOHO, TIMED и SORCE;- имеются планы до конца этого десятилетия осуществить еще восемь КЭ, три из которых-российские: КОРОНАС-Ф ОТОН, "Солнечный патруль" (на МКС) и "Постоянный КСП" (на солнечно-синхронном спутнике [5]).
По данным таблицы 1.1 автором созданы диаграммы, располагающие КЭ за период 1990 - 2010 гг. в хронологическом порядке с учетом спектральных диапазонов измерений ОЭП (для спектральных и радиометрических приборов, - рис. 1.3 и 1.4 соответственно). Подобные диаграммы наглядно иллюстрируют пробелы в мониторингах ИСИ и широко распространены в зарубежной обзорной литературе [23,37,40,42,43].
За годы космической эры были налажены постоянные мониторинга абсолютных величин и спектрального состава потоков ИСИ рентгеновского диапазона Х 0,8 нм (аппаратурой GOES) и ДУФ области „ 115 нм (приборами UARS) [1-5,7]. Спутники GOES ведут мониторинг с 1975 г. в постоянном патрульном режиме простыми приемниками излучения -ионизационными камерами с фильтрами-фольгами из бериллия и алюминия [5,44]. На КА следующей серии GOES (начиная с GOES-N, запуск которого ожидается в 2006 г.) ОЭП спутника будет дополнена фильтровым фотометром EUVS для измерения в спектральной области АХ = 5-127 им с абсолютной точностью 10% [22,45]. Однако, в этом приборе имеются сложности в устранении фильтрами ближнего УФ и видимого излучений для каналов, работающих в области АХ = 5-35 им [5,22]. Мониторинг солнечного излучения в области Х 115 им, реализованный на спутнике UARS в 1991г. [46], был первоначально рассчитан на 3 года, однако просуществовал более 14 лет (тем самым, перекрыв длительность 11-летнего солнечного цикла) и прекращен в 2005 г. [28,46,47].
Все попытки наладить постоянный мониторинг мягкого рентгеновского и КУФ излучения Солнца в области спектра 1-120 нм привели к выполнению разрозненных спектральных и радиометрических измерений спутниковыми и ракетными экспериментами. Так, на американском КА SNOE [36] и на российских ИСЗ ЭЛЕКТРО, ИНТЕРБОЛ-1, КОРОНАС-И, -Ф [48-50] для регистрации солнечного КУФ излучения применялись исключительно широкодиапазонные фильтровые фотометры и радиометры. Использованные на этих спутниках спектральные приборы носили вспомогательный или экспериментальный характер [48-51].
Ситуация с разрозненностью спектральных и радиометрических измерений сохраняется, как для действующих КЭ: SOHO, TIMED и SORCE, так и для большинства планируемых мониторингов GOES-N, Solar-B, Proba-2, SOL-ACES, КОРОНАС-ФОТОН (см. табл. 1.1 и рис. 1.3, 1.4). Так, аппаратура КЭ Solar-B и SOL-ACES нацелена на выполнение спектральных наблюдений [35,52], тогда как Proba-2, КОРОНАС-ФОТОН и GOES-N/EUVS только на фотометрические измерения с помощью фотодиодов с фильтрами [22,39,45,53] (см. табл. 1.1). К перечисленным недостаткам для большинства КЭ добавляется эпизодичность измерений в течение дня, что не позволяет полноценно контролировать кратковременную солнечную активность [5,41].
Сроки эксплуатации действующих КЭ уже превысили расчетные, и во избежание пробелов в мониторинге ИСИ, нужны новые запуски. В ближайшие годы планируется запустить спутники GOES-N, Proba-2, Solar-B и SDO, правда из них только последний может выполнять абсолютные и спектральные измерения одновременно (рис. 1.3, 1.4).
Для организации контроля КУФ излучения Солнца большие надежды в NASA связываются с запуском в 2008 г. КА SDO, оснащенного аппаратурой EVE [54], в состав которой входят спектрограф и спектрофотометр (см. табл. 1.1). К недостаткам аппаратуры следует отнести наличие неперекрывающихся спектральных каналов в спектрофотометре, не выполнение одновременных абсолютных и спектральных измерений для А, 37,5 им, а также отсутствие мониторинга КУФ потока в области X 105 нм, кроме линии И1а (121,6 нм).
Одним из наиболее перспективных путей для реализации полноценного долговременного мониторинга ИСИ в непрерывном режиме является осуществление проекта "Постоянный космический солнечный патруль" [5,55-57]. Проект предполагает установку разработанных в ГОИ им. СИ. Вавилова приборов - радиометра (ДА, = 0,14-157 нм) [4,5,58] и рентгеновского-ультрафиолетового (РУФ) спектрометра (ДА, = 1,8-198 им) [4,38,59] - на спутник с солнечно-синхронной орбитой. С этой целью были проведены консультации с Генеральными конструкторами космических КБ и выявлены наиболее пригодные КА для целей Постоянного КСП [4,5,56,60].
Кроме того, был заключен договор с ОАО РКК "Энергия" им. СП. Королева на подготовку, запуск и размещение аппаратуры "Солнечный патруль" - радиометра и КУФ спектрометра (ДА = 16-153 нм) [4,5] - для опытной эксплуатации на внешнюю поверхность служебного модуля Российского сегмента МКС на СОИ разработки ОАО "ВНИИТРАНСМАШ" [4,60,61]. Вместе с СОП научная аппаратура КСП образует автономный комплекс "Космический солнечный патруль" (см, рис. І в Приложении 1). При этом предполагается, что аппаратура «Солнечный патруль» будет работать на освещенном участке орбиты МКС в сеансном режиме (50 сеансов в год продолжительностью -20 мин. каждый, в течение 3 лет [38]). Вариант размещения аппаратуры "Солнечный патруль" на МКС показан в Приложении 1 на рис. 2, выполненном в РКК "Энергия".
Методики расчетов характеристик фотоприемпого тракта КСП
Как отмечалось в п. 1.1, в мягкой рентгеновской и КУФ областях спектра поток ионизирующего излучения Солнца достаточно мал (см. рис. 1.1). Это делает необходимым применение в каналах аппаратуры КСП режима счета фотонов (РСФ), который заключается в определении количества импульсов, появившихся на выходе приемника излучения за заданное время. Основное достоинство метода состоит в возможности регистрации каждого отдельного электрона, вылетевшего с фотокатода в результате фото-, термо- или иного процесса эмиссии. Каждый импульс на выходе ОЭП, обусловленный одиночным первичным электроном, называют одноэлектронным. Поэтому и РСФ иногда называют еще метод счета одноэлектронных импульсов [126-128]. Этот режим используется в физических экспериментах давно и является наиболее точным методом измерения потоков излучения малой интенсивности [129,130]. Благодаря возможности получения большого линейного динамического диапазона он нашел также применение и в технике оптических измерений [126]. При работе в данном режиме сигнал на выходе электронного умножителя характеризуется скоростью счета импульсов п, возникающих в нагрузке приемника излучения в результате эмиссии электронов с фотокатода (под воздействием отдельных квантов излучения) и их вторичноэмиссионного усиления динодами ВЭУ или ФЭУ. При регистрации неперекрывающихся одноэлектронных импульсов (когда достигнуто разрешение всех импульсов во времени [58,131]), средняя скорость счета импульсов с ВЭУ соответствует приходу на фотокатод отдельных квантов излучения, и определяется [126]:где Ф - падающий на фотокатод поток излучения, r\ квантовая эффективность фотокатода ВЭУ, v - оптическая частота излучения, h -постоянная Планка.В общем случае, скорость счета, регистрируемая при облучении приемника излучения некоторым источником, определяется по формуле [88]:где п - число импульсов в секунду, Lj_ - энергетическая яркость источника излучения, л\к - спектральный импульсный квантовый выход приемника излучения (импульсы/квант), х;. - спектральный коэффициент пропускания входного окна приемника излучения для ФЭУ (для ВЭУ - этот коэффициент отсутствует), S- эффективная площадь облучения фотокатода, Q - телесный угол, под которым виден источник излучения.
Использование РСФ требует от фотоприемного тракта: малое временное разрешение (сравнимое с длительностью импульса приемника излучения) и высокое отношение сигнал/шум на входе измерительного устройства. Первый параметр влияет на задание инерционности предусилителя (которая должна быть меньше длительности импульса с приемника излучения), второй - на пороговую чувствительность тракта. При задании временного разрешения фотоприемного тракта, надо учесть, что в электронном умножителе каждый отдельный фотоэлектрон вызывает на аноде лавину электронов, число которых определяется коэффициентом усиления ВЭУ (ФЭУ) и которые заряжают распределенную выходную емкость С (обычно С = 4-20 пФ) [126]. Если емкость успевает разрядиться через нагрузку R(1 до прихода следующей лавины электронов, то регистрируется неперекрывающиеся одноэлектронные импульсы, соответствующие приходу на фотокатод отдельных квантов излучения. Отношение сигнал/шум определяется установкой порога срабатывания следующей за приемником излучения электронной схемы, благодаря чему можно подавить значительную часть шумовых импульсов, возникающих вне фотокатода [126]. По существу пороговая чувствительность фотоприемного тракта в РСФ приближается к предельно достижимому значению, определяемому главным образом величиной квантовой эффективности фотокатода [58]. В зависимости от конкретного соотношения указанных параметров можно получить требуемую величину линейного динамического диапазона измерения и предельно высокую чувствительность аппаратуры [58]. Как отмечается в работе [128], в области предельно слабых потоков максимальный динамический диапазон измеряемых сигналов с электронного умножителя в РСФ составляет примерно 6 порядков, что связано с перекрыванием импульсов на мегагерцовых частотах импульсов с приемника излучения.
Скорость счета импульсов задается неравенством [126]:
Если неравенство (2.4) не выполняется, то импульсы с приемника излучения перекрываются и на выходе регистрируется интегральный фототок, т.е. приемник излучения работает в "токовом" режиме и электронный умножитель измеряет средний анодный ток.
Если достигнуто разрешение всех импульсов во времени, то вероятность появления п импульсов в единицу времени описывается законом Пуассона (число п флуктуирует около пс):
При этом отношение сигнал/шум будет следующим [126]:где Тс - время измерения (длительность сигнала); пщ - среднее число электронов в единицу времени, возникающих вследствие внутренних шумов и воздействия внешнего фона на приемник излучения.вероятность срабатывания определяется как [126]: Из выражения (2.7) можно получить пс міх, соответствующее заданной по техническим условиям вероятности р(п,пс). Подставив пс міх в формулы (2.2) и (2.3) можно найти значение потока, соответствующее заданной вероятности, и уточнить требования к источнику излучения (например, при проведении калибровочных работ) и к условиям проведения эксперимента, чтобы вести дальнейший энергетический расчет по обычной методике.
Использование РСФ в фотонриемпом тракте КСП осуществляется с амплитудной дискриминацией выходных импульсов с приемника излучения в пороговом устройстве ИСС - все импульсы, превышающие порог срабатывания будут сосчитаны, независимо от амплитуды [58]. Скорость счета таких импульсов соответствует интенсивности входного потока излучения, а удачно подобранный порог дискриминации устраняет большую часть шумовых импульсов ВЭУ, сохраняя статистику одноэлектронных импульсов ВЭУ. При этом, ввиду малой величины собственных шумов ВЭУ (6-30 имп/мин. [79]), существенных ограничений на скорость счета отдельных квантов излучения нет. Однако па высоких скоростях счета при регистрации интенсивного сигнала излучения, эффективность РСФ уменьшается, вследствие увеличения вероятности наложения одного импульса на другой, что может произойти при невыполнении неравенства (2.4). Чтобы это избежать, задастся максимальная скорость счета Пмлх и минимально допустимое временное разрешение прибора (подробнее об этом вп.2.2.2).
Вероятность регистрации Мщ импульсов шума за время тс (без учета мертвого времени измерительной системы) определяется законом Пуассона (при средних скоростях счета сигнала и шума YIQ и пш) [129]:
Для числа импульсов сигнала Nc соответственно:Время тс определяют набором необходимого числа отсчетов в ИСС для обеспечения требуемой точности. Минимальное время регистрации излучения Тс міх, необходимое для получения заданной точности измерения (при одновременной регистрации ИСС импульсов, как сигнала, так и шума) составляет [129]:где а - относительная погрешность регистрации сигнала излучения, %.Аналогично, при заданном минимальном времени регистрации излучения, формула (2.10) может использоваться для получения относительной погрешности регистрации излучения в РСФ.
Известно, что при использовании в РСФ важную роль играет распределение выходных импульсов приемника излучения по амплитудам [88,128,129]. Выделяют регистрацию в РСФ на одиоэлектронном уровне, что позволяет проводить эффективную и легко оцениваемую регистрацию потоков излучения [129]. Зачастую для этого применяется электронный умножитель с явно выраженным одпоэлектронным пиком в амплитудном распределении, хотя наличие одноэлектронпого пика не является обязательным условием применения приемника излучения в РСФ [88,129]. Подробнее об амплитудном распределении ВЭУ в п.2.3.1.
Разработка измерителя скорости счета с динамическим диапазоном регистрации на шесть порядков
При разработке платы ИСС были учтены следующие требования:1. Измеритель скорости счета (частоты) измеряет среднее число импульсов, поступающих на его вход, в единицу времени.2. Выходной аналоговый сигнал находится в диапазоне напряжений 0-6,25 В, что диктуется диапазоном измерения аналогового датчика БИТС К А [123].3. ИСС обеспечивает счет случайно распределенных во времени импульсов в диапазоне от 1 до ЗхЮ6 имп/сек.4. В плате ИСС должны применяться температурно-стабильные элементы, позволяющие выполнять измерения с требуемой точностью в пределах температуры (-40/+85)сС вне термостабилизированного герм о контейнера.5. Плата измерителя должна быть гальванически развязана по входу.6. Нелинейность логарифмической шкалы в диапазоне счета 1 Гц - ЗхЮ6 Гц должна быть не хуже ±3%.7. Габариты платы не должны превышать 1 дм .В основу построения двухканального ИСС положен принцип разбиения логарифмической кривой (рис. 2,12) на ряд прямолинейных участков (см. п, 2.5). Поскольку качество нелинейного преобразования зависит от числа участков разбиения (чем их больше, тем лучше реальная функция ВИХ приближается к идеальной), то исходный динамический диапазон регистрации 1 - 3x10 имп/сек был разбит на 10 участков. Увеличение числа участков позволило бы улучшить точность преобразования, но потребовало бы большее число радиоэлементов на плате и, соответственно, увеличение регламентированных размеров ИСС. Таким образом, новый ИСС представляет собой двухканальный линейный логарифмический преобразователь частоты в напряжение - один канал для измерения низкочастотного (НЧ) сигнала (4 Гц - 6 кГц), другой - для высокочастотного (ВЧ) сигнала (300 Гц-3 МГц). Частотные диапазоны этих каналов перекрываются. Выходные напряжения обоих каналов транслируются в БИТС, хотя информативным в конкретный момент времени является только один сигнал (за исключением момента нахождения сигнала на участке перекрытия каналов 0,3-6 кГц), Вид экспериментально полученной ВИХ нового ИСС приведен нарис. 3.1.
Алгоритм работы ИСС заключается в выработке и суммировании импульсов (в интегрирующих цепочках в обратных связях операционных усилителей), длительность которых равна периоду следования входных импульсов с приемника излучения (подробнее об этом в п. 3.2.4).
Крутизна ВИХ в логарифмическом масштабе составляет для ВЧ канала -90 мВ/(4 0,1), и для НЧ канала -70 мВ/(4#Н ,1); отклонение ВИХ от линейности не превышает ±3% от максимального отсчета для всего динамического диапазона. Схема срабатывает от запускающих импульсов длительностью 10-30 не, амплитудой - не менее 2 В. Оценочный рабочий диапазон температур: 407+85С. В сумматоре среднего уровня НЧ канала постоянная времени RC цепочки в обратной связи усилителя TRC = 0,27 сек. Это означает, что ИСС непосредственно измеряет частоту от 4 Гц и выше. Получить частоту ниже 4 Гц можно усреднением нескольких последовательных отсчетов данных за больший интервал времени (в пределах трех секунд) [124].
Разработанный ИСС содержит устройство импульсного запуска, набор генераторов импульсов (число генераторов соответствует числу участков разбиения исходной кривой ВИХ рис. 3.1), два сумматора среднего уровня и устройство индикации перегрузки (рис. 3.2). Устройство импульсного запуска передает импульсы от предусилителя к генераторам и обеспечивает с помощью оптопары гальваническую развязку предусилителя и преобразователя. Использование на входе устройства эмиттерного повторителя позволяет уменьшить влияние входной емкости генераторов и монтажа на выход оптопары, что позволяет передавать с предусилителя на генераторы импульсы длительностью 10-30 не.
Генераторы импульсов собраны на микросхемах одновибраторов и используются как формирователи отрицательных импульсов по отрицательным входным фронтам импульсов с предусилителя. Если период следования фронтов на входе меньше длительности вырабатываемого генератором импульса, то одновибратор перезапускается, выдавая на выход близкое к нулю постоянное напряжение. Для суммирования импульсов с генераторов используются сумматоры среднего уровня, выполненные на операционных усилителях с RC-цепочками в цепях обратных связей. Поскольку весь регистрируемый динамический диапазон 1 - 3x10 имп/сек разбит на два поддиапазона (низкочастотный 1-6000 Гц и высокочастотный 0,3-3000 кГц), то и сумматоров среднего уровня - два. На выходах сумматоров - постоянное напряжение, пропорциональное сумме постоянных составляющих всех последовательностей импульсов от генераторов. При этом первые четыре генератора импульсов используются для НЧ канала, 5 и 6 генераторы -общие для НЧ и ВЧ каналов (с их помощью осуществляется перекрытие диапазона счета 0,3-6 кГц), последние четыре генератора - для ВЧ канала. Поскольку максимальная частота запуска генераторов 3 МГц, и на более высоких частотах в их работе возникают сбои, то в применяемом устройстве индикации (состоящем из компаратора и коммутаторов нулевого уровня) осуществляется контроль над входной частотой. Когда импульсы на вход ИСС не поступают - начальные уровни напряжений на выходах сумматоров соответствуют -0,5 В. При возрастании частоты свыше 3 МГц, компаратор смещает начальную установку сумматоров, вырабатывая на их выходах напряжения -6,5 В. Это напряжение будет восприниматься БИТС как перегрузка. Величина выходного напряжения, сигнализирующего о перегрузке, может регулироваться делителем на выходе ИСС. Электрическая схема двухканального ИСС приведена в Приложении 1 на рис. 3. Плата измерителя скорости счета показана на фотографии 7 Приложения 2.
Новый генератор контрольного сигнала выдает две контрольные частоты для проверки НЧ и ВЧ каналов модернизированного ИСС. ГКС предназначен для проверки работоспособности фотоприемных трактов аппаратуры КСП, а также для получения контрольных калибровочных отметок в спектре измеренного сигнала. Разработанный ГКС выдает на вход предусилителя каждого канала РУФ спектрометра две последовательности импульсов с частотами 400 Гц и 20 кГц (для проверки соответственно НЧ и ВЧ каналов ИСС), которые соответствуют серединам шкал ВИХ каждого канала ИСС рис. 3.1 [124]. Таким образом, одновременно тестируются все измерительные каналы прибора, и проверяется их работоспособность при анализе сигналов выходных напряжений (с обоих каналов ИСС), строго соответствующих калибровочным частотам ГКС.
Во всех приборах КСП запуск контрольного сигнала (КС) происходит в тот момент, когда потоки отраженного от дифракционной решетки излучения не поступают на фотокатоды ВЭУ и ФЭУ. Таким образом, калибровочная отметка от ГКС не складывается с измеряемым сигналом от источника.
Спектральная калибровка РУФ спектрометра в УФ области спектра
Тестирование спектрометра в УФ области спектра позволило прокалибровать данный спектрометр на ВУФ и УФ лампах как в лабораторных вакуумных камерах (при давлении 5x10 мм рт. ст), так и на воздухе (с использованием канала с ФЭУ-142) [110].
Для оценки пропускания "воздушного" канала спектрометра используется водородная лампа ДАМ-25. Лампа устанавливается напротив входного окна вакуумной камеры, выполненного из MgF2. Таким образом, излучение лампы, пройдя через входное окно вакуумной камеры и бленду, попадает под углом 2 на неподвижно зафиксированную нарезную дифракционную решетку (имеющую 600 штр/мм) [59] (см. рис. 4.1). Отраженное от решетки излучение через выходные щели поступает на приемники излучения (для измерения на воздухе используется только 4-й канал РУФ спектрометра с приемником излучения ФЭУ-142), которые вместе с предусилителями и блоком выходных щелей размещены на платформе поворотной кулисы. Эта кулиса приводится в движение бесконтактным моментным двигателем ДБМ-40 посредством редуктора. По краям кулисы располагаются датчики "конца спектра", включающие двигатель на реверс, чтобы кулиса, достигнув "края спектра", пошла в обратном направлении. Питание обмоток, управление и частота вращения двигателя задается платой управления двигателя. Датчики "конца спектра" представляют собой оптопары светод иод-фото диод. Выходной сигнал измерительного канала РУФ спектрометра передается через разъем прибора и герморазъем вакуумной камеры посредством кабеля из витых экранированных пар на самопишущее устройство, цифровой вольтметр (точное измерение сигнала) и стрелочный вольтметр контрольно-измерительного прибора (КИП) (грубое измерение сигнала). Использование КИП позволяет произвести контроль работоспособности канала и проверить его чувствительность путем снятия вольт-импульсной характеристики ИСС по контрольным частотам (с последующим сравнением с паспортной ВИХ для ИСС). Контроль работоспособности и чувствительности фотоприемного тракта РУФ спектрометра можно осуществить посредством передачи двух фиксированных частот от ГКС на двухканальный ИСС. Но в отличие от
КИП, КС не дает оперативной информации о работоспособности и чувствительности канала спектрометра, поскольку он срабатывает с периодичностью раз в несколько минут после восьми отснятых спектрограмм РУФ спектрометра. Питание электронных устройств спектрометра происходит от стандартного ВИП с напряжением +27 В; питание приемников излучения высоким напряжением от ВВП спектрометра.
Интерфейс PC 21 22 23 Вакуумная камера Рис. 4.1. Блок-схема калибровочных испытаний РУФ спектрометра (PC) [110], 1 -ламповый источник УФ излучения, 2 - источник питания лампы; 3- входное окно вакуумной камеры, 4 - бленда, 5 - дифракционная решетка, 6- выходные щели, 7 - поворотная кулиса с площадкой под приемникиизлучения, 8 - приемники излучения (ФЭУ и ВЭУ), 9 - предусилители, 10 датчики "конца спектра", 11 - редуктор, 12 - двигатель ДБМ-40, 13 высоковольтные источники питания приемников излучения, 14 - измерителискорости счета, 15 - генератор контрольного сигнала, 16 - плата управлениядвигателем, 17 - разъем спектрометра, 18 - герморазъем вакуумной камеры,19 - кабель из экранированных витых пар, 20 - источники питания, 21 самопишущее устройство Н307/2, 22 - цифровой вольтметр В7-21А, 23 контрольно-измерительный прибор.
Вакуумная калибровка 3 и 4 каналов РУФ спектрометра проводится но этой же схеме (рис. 4.1), только в 3 канале (62 - 122,7 им) в качестве приемника излучения используется ВЭУ, а для калибровки используются следующие ВУФ лампы (в том числе лампы, разработанные в ГОИ [146,147]):- ВУФ дейтериево-аргоновая лампа ДАМ-25 с окном из MgF2;- ВУФ криптоновая резонансная лампа (длины волн излучаемых линий / =1 16 и 123,6 нм) с окном из MgFi;- ВУФ ксеноновая резонансная лампа (длина волны излучаемой линии v=147 нм) с окном из MgF2;- УФ дуговая ртутно-гелиевая лампа ДРГС-12 с окном из увиолевого стекла.Калибровка по длинам волн с использованием ВУФ ламп может выполняться на "воздушном" (4-м) и частично на 3-м каналах (до границы пропускания MgF2). Полученные таким образом экспериментальные спектры сопоставляются с калибровочными спектрами лампы, в результате чего определяется градуировочный график по длинам волн [111].
Для оценки пропускания воздушного капала спектрометра использована водородная лампа (ДАМ-25).
Схема освещения входного окна спектрометра представлена на рис. 4.2, где q светящийся диск источника излучения (лампа ДАМ-25), имеющий равномерную яркость Lx и радиус а\ S - поверхность входного окна спектрометра (диафрагма); параллельная светящемуся диску источника; / -расстояние от плоскости S до центра диска Общее выражение для освещенной поверхности S [110]:где 0 и а - углы между линией АВ и нормалями к светящейся и освещаемой поверхностям соответственно. После интегрирования по площади диска получается выражение для расчета потока излучения от лампы за "входным окном" спектрометра [110]:
