Содержание к диссертации
Введение
1. Системы полупроводник - газоразрядный промежуток; история развития и задачи настоящего исследования 20
1.1. Структуры ПП-ГРП - новые электронные устройства (вводные замечания) 20
1.2. Потребности техники в развитии быстродействующих средств регистрации ИК изображений и некоторые методы, предложенные для решения проблемы 25
1.2.1. Ограниченность традиционных средств в проблеме продвижения чувствительности в ИК область спектра 26
1.2.2. Нетрадиционные методы фотографии и их применение для скоростной регистрации изображений в ИК области спектра 29
1.3. Этапы разработки устройств ПП - ГРП 34
1.4. Основные процессы в системе ПП - ГРП в условиях стационарного тока 39
1.4.1. Элементарные сведения из физики горения самостоятельных разрядов в тонких промежутках 39
1.4.2. Процессы на границе полупроводник - газоразрядная плазма 42
1.4.3. Фотоэлектрическое управление стационарной плотностью тока 45
1.5. Проблема устойчивости однородных состояний структуры 50
1.6. Перспективность систем ПП - ГРП для решения задач преобразования ИК изображений в широкой спектральной области 51
1.7. Структуры ПП - ГРП как самоорганизующиеся системы 53
1.8. Основные задачи исследования систем ПП - ГРП 62
2. Динамика систем. Быстродействие в задачах преобразования изображений 63
2.1. Вводные замечания 63
2.2. Основные экспериментальные факты 64
2.2.1. Динамика структур при малых плотностях тока 64
2.2.2. Особенности переходных режимов 67
2.3. Модель динамических процессов 71
2.3.1. Двухкомпонентная нелинейная система уравнений 72
2.3.2. Аналитическое исследование модели 73
2.3.2.1. Свойства решений 73
2.3.2.2. Структура ПП - ГРП как резонансный контур 75
2.3.3. Резонансные свойства системы: эксперимент и сравнение с теорией 77
2.3.4. Результаты численного моделирования 81
2.3.4.1. Генерация колебаний за счет собственного шума системы 81
2.3.4.2. Нелинейный характер переходных процессов 84
2.4. Некоторые следствия полученных результатов применительно к решению задач скоростной регистрации ИК излучений 87
2.5. Основные выводы 90
3. Механизмы неустойчивостей 91
3.1. Общие замечания 91
3.2. Предпосылки возникновения неоднородных токовых состояний в случае ГРП с хорошо проводящими электродами 92
3.3. Стабилизация однородного состояния системы в присутствии пространственно распределенного резистивного электрода 94
3.4. Возникновение неустойчивых состояний за счет ионизационно -перегревного механизма в газе 95
3.4.1. Формулировка задачи 96
3.4.2. Линейный анализ устойчивости стационарных состояний 98
3.4.3. Режимы питания устройств - рекомендации 101
3.5. Образование токовых структур за счет потери устойчивости однородного токового состояния полупроводникового электрода 104
3.5.1. Образование множественных стационарных нитей тока в Si:Zn фотоприемниках 107
3.5.2. Самоорганизация нестационарных пространственно - временных структур при использовании полуизолирующего GaAs 109
3.6. Возможность возникновения неустойчивых состояний системы при переходе от Таунсендовского режима горения разряда к тлеющему 111
3.7. Заключение 112
4. Исследование и разработка полупроводниковых фотоприемников преобразователей для спектральной области 1-11 мкм 114
4.1. Предварительные замечания 114
4.2. Некоторые проблемы разработки фотоприемников 118
4.3. GaAs(Cu) приемные элементы; Первые фотоэлектрические системы для регистрации изображений в спектральной области генерации С02 лазеров 120
4.4. Приемные элементы на основе кремния, легированного глубокими примесями 121
4.4.1. Конструкция кремниевой структуры; проблема входного контакта 121
4.4.2. Краткое описание технологии изготовления Si:Au, Si:Pt и Si:Zn полупроводниковых электродов 124
4.4.3. Si(In) приемные элементы 127
4.4.3.1. Основные свойства Si:In: литературные данные 128
4.4.3.2.Исследование природы длинноволновой фотопроводимости S і :In детекторов 131
4.4.3.3. Экспериментальные результаты 131
4.4.3.4. Модель фотопроводимости при "дефиците" энергии фотонов 133
4.4.3.5.Планарные Si(In) фото приемники преобразователей и достигнутые основные характеристики устройств 143
4.5. Пространственная разрешающая способность преобразования и примеры применений устройств 144
4.6. Основные выводы 149
5. Спонтанное возникновение пространственных структур в распределениях тока благодаря активным свойствам полупроводникового электрода 151
5.1. Введение 151
5.2. Самоорганизация нестационарных пространственно - временных структур в полуизолирующем GaAs 152
5.2.1. Условия экспериментов 153
5.2.2. Вольтамперные характеристики системы ПП-ГРП и отдельно полупроводникового электрода 153
5.2.3. Многообразие образующихся диссипативных структур 155
5.2.4. О механизме неустойчивости и формирования структур 161
5.3. Неустойчивость однородного состояния и образование ансамбля идентичных нитей тока в системе с Si:Zn фотоприемником 164
5.3.1. Вводные замечания 164
5.3.2. Основные характеристики неустойчивости 164
5.4. Выводы 170
6. Самоорганизация токовых структур вследствие пространственно- распределенного нелинейного взаимодействия газоразрядного и полупроводникового элементов - эксперимент 171
6.1. Введение 171
6.2. Постановка экспериментов, методы измерений 173
6.3. Неустойчивости однородного состояния с образованием пространственно периодических структур в распределениях тока 175
6.4. Неустойчивости периодических структур: образование дефектов 176
6.5. Вторичные неустойчивости: наблюдения на страйпах, спиралях и мишенях 182
6.5.1. Зигзаг-дестабилизация страйпов и спиралей большой амплитуды 184
6.5.2. Наблюдение неустойчивости типа перетяжки 193
6.6. Паттерны, состоящие из нитей тока 196
6.6.1. Внутренняя структура нити тока и эффект самодостройки диссипативной структуры с образованием диссипативного кристалла 198
6.6.2. Умножение числа нитей тока путем их деления 201
6.6.3. Оптическая "инжекция" диссипативных солитонов 204
6.6.4. Динамика диссипативных солитонов - рассеяние при столкновениях 207
6.6.5. Экспериментальные свидетельства существования фазового перехода в ансамбле диссипативных солитонов 210
6.7. Выводы 211
7. Самоорганизация токовых структур благодаря нелинейному взаимодействию газоразрядного и полупроводникового элементов - модель явления 214
7.1. Вводные замечания. 214
7.2. Модель пространственно - распределенного нелинейного взаимодействия газоразрядного и полупроводникового элементов 215
7.3. Аналитическое исследование модели. Тьюринговская неустойчивость 218
7.4. Численные исследования модели на двумерной области 225
7.4.1. Переход от однородного к структурированному состоянию при изменении управляющего напряжения 229
7.4.2. Самодостройка гексагональной структуры 234
7.4.3. Увеличение числа диссипативных солитонов через их деление 237
7.4.4. Фазовый переход в ансамбле диссипативных солитонов 238
7.5. Выводы 244
Заключение 246
- Потребности техники в развитии быстродействующих средств регистрации ИК изображений и некоторые методы, предложенные для решения проблемы
- Фотоэлектрическое управление стационарной плотностью тока
- Основные экспериментальные факты
- Некоторые следствия полученных результатов применительно к решению задач скоростной регистрации ИК излучений
Введение к работе
В настоящее время измерение параметров газодинамических процессов
остаётся сложной научно-технической задачей. Существует целый ряд
различных. методов измерений - метод откола, оптический метод, метод
лазерного измерения, магнитоэлектрический метод, пьезорезистивные и
пьезоэлектрические методы, рентгенографический метод,
радиоинтерферометрический метод и др. — среди которых очевидными преимуществами обладают бесконтактные или невозмущающие процесс [1]. Ряд специфических проблем возникает при исследовании процессов, приводящих к разрушению исследуемого объекта, например, при исследовании ударных или детонационных явлений во взрывчатых веществах (ВВ). При промышленном: изготовлении ВВ; необходимо осуществлять контроль соответствия его параметров техническим условиям; Наиболее важным параметром процесса детонации является средняя скорость, её распространения, а также разброс её мгновенных значений. Общепринятый метод измерения скорости распространения детонации основан на применении контактных датчиков, устанавливаемых на тестируемом образце. Недостатками этого метода следует считать принципиальное присутствие возмущений, вносимых датчиками в объект исследования, а также измерение только средних значений скорости на интервалах между соседними датчиками. Причём увеличение: плотности размещения датчиков влечёт усиление вносимых искажений. Достоинством контактного метода является высокая точность измерений, определяемая в основном погрешностью измерения расстояния между датчиками, которая может составлять доли процента.
Альтернативным методом измерения скорости детонации является радиоинтерферометрический метод [2]. Принципиальная схема всех интерферометрических измерений предполагает наличие интерферометра,
который через волновод облучает исследуемый объект электромагнитным колебанием известной формы и частоты. Отразившись от фронта горения, ударной или детонационной волны как от неоднородности, электромагнитная волна возвращается'в прибор, где каким-либо образом детектируется. За счёт доплеровского сдвига частоты- отражённой волны, появляется» возможность детектировать частоту биений суммы опорного и отражённого сигналов. Очевидные преимущества интерферометрического метода заключаются в отсутствии вносимых возмущений в объект исследования и непрерывности получения информации о значениях мгновенной скорости зондируемого объекта, в том числе — нестационарного газодинамического процесса. Информативными параметрами интерферометрического метода; использующего электромагнитные колебания, могут являться фазовый сдвиг между падающей и отражённой или прошедшее волнами, доплеровский сдвиг отраженной или прошедшей волны, резонансная частота системы и т.п. Многообразие параметров,- содержащих информацию об исследуемом объекте, позволяет выбрать в каждом конкретном случае оптимальный параметр и таким образом обеспечить эффективное техническое решение.
В настоящее время не исследованным остаётся вопрос интерпретации
экспериментальных данных зондирования волноведущих структур,
поддерживающих многомодовый характер распространения
электромагнитной энергии. Стандартная интерпретация, при которой методами фильтрации выделяется сигнал одной из мод, рассматривает сигналы остальных мод, как помеху. В то же время, очевидно, что сигналы всех мод несут информацию о зондируемом объекте. Представляется актуальным разработать адекватную интерпретацию многомодовых сигналов.
Необходимым условием применимости метода является знание диэлектрической проницаемости (б) среды распространения радиоволн, которая обычно измеряется независимыми методами [3]. Наибольшую точность измерения є удается реализовать резонансным методом. Типичное
значение абсолютной погрешности таких измерений составляет ±0.01, что обычно является вполне достаточным для большинства приложений. Однако погрешность определения є может оказаться доминирующей в суммарной погрешности интерферометрического метода. В то же время, принципы многомодового зондирования допускают возможность извлечения- из многомодового сигнала информации о нескольких параметрах зондируемого объекта, в том числе и о s. Поэтому существует потребность в разработке методов извлечения информации о совокупности значений параметров из многомодового сигнала.
Целью данной работы является повышение точности получаемых оценок параметров газодинамических процессов, а также расширение самого набора таких параметров с помощью специальных методов анализа многомодовых радиоинтерферометрических сигналов, полученных при исследовании газодинамических процессов в различных волноведущих структурах.
Для достижения поставленной цели в работе были решены следующие задачи:
Проанализированы возможности многомодовой радиоинтерферометрии с точки зрения получения одновременных оценок нескольких параметров исследуемого процесса.
На основании электродинамических моделей, учитывающих многомодовый характер распространения зондирующего излучения в исследуемых структурах: тонкий диэлектрический цилиндр, плоскопараллельная диэлектрическая полоска, диэлектрическая шашка диаметром, много превосходящим длину волны зондирующего излучения, разработаны правила определения модового состава сигналов радиоинтерферометра.
Выработана процедура получения оценки параметров методом максимального правдоподобия на основании экспериментальных интерферограмм.
Получены оценки потенциальной точности взаимных оценок параметров на основании вычисления корреляционной функции модельной и экспериментальной интерферограмм.
Для указанных структур на основании экспериментальных интерферограмм выполнена оценка скорости ударной и детонационной волн, диэлектрической проницаемости исследуемого ВВ, а также потенциальной точности измерений указанных параметров.
Получена оценка флуктуации скорости детонации и диэлектрической проницаемости в исследуемом образце ВВ, имеющем форму тонкого диэлектрического цилиндра.
Получена оценка временной динамики мнимой части диэлектрической проницаемости исследуемого ВВ за фронтом ударной волны в диэлектрической шашке.
Научная новизна работы состоит в следующем:
Обнаружена и обоснована дополнительная информативность многомодового радиоинтерферометрического метода по сравнению с одномодовым методом.
Выработаны оригинальные правила, устанавливающие формальную связь измеряемых параметров ВВ с регистрируемым сигналом. Эти правила учитывают многомодовый характер распространения зондирующего излучения в тонких диэлектрических цилиндрах, плоскопараллельных диэлектрических полосках и диэлектрических шашках диаметром, много превосходящим длину волны зондирующего излучения, а также возможность трансформации мод электромагнитного излучения при отражении от фронта газодинамического процесса.
Впервые предложено получать совместные оценки параметров исследуемых газодинамических процессов путём оптимизации параметров интерферограмм, рассчитанных по электродинамическим моделям,
учитывающим многомодовый характер распространения-радиоволны методом-максимального правдоподобия:
4. Метод оценки потенциальной точности измерений? на* основе взаимной- корреляционной функции впервые применён для анализа^ потенциальной точности: многомодовых интерферометрических измерений В'; газодинамических экспериментах.
5І Впервые радиоинтерферометрическим методом апостериори получена; оценка флуктуации* скорости детонации и диэлектрической проницаемости исследуемого ВВ; Получение такой оценки возможно только при многомодовом зондировании..
6. Впервые; предложена процедура анализа
радиоинтерферометрических данных, позволившая! при; многомодовом зондировании получить оценку временной динамики 'мнимой! части, диэлектрической проницаемости ВВза фронтом ударной волны.
Результаты, выносимые на.защиту
1. Метод обработки- данных радиоинтерферометрического
ЗОНДИрОВаНИЯ ТОНКИХ ДИЭЛеКТрИЧеСКИХ ЦИЛИНДРОВ- ВВ В' МНОГОМОДОВОМ:
режиме для получения одновременных оценок: скорости детонации; И диэлектрической проницаемости;.
Алгоритм- получения; оценки произведения естественных' среднеквадратичных отклонений, скорости- детонации; и диэлектрической проницаемости ВВ.
Метод обработки данных радиоинтерферометрического зондирования- плоскопараллельных диэлектрических полосок ВВ в многомодовом режиме для повышения точности оценки скорости детонации;
Метод обработки данных радиоинтерферометрического зондирования диэлектрических шашек ВВ диаметром, много превосходящим длину волны зондирующего излучения, для получения^ одновременных оценок, скорости ударной волны, скорости детонационной; волны,
действительной части и динамики изменения мнимой части диэлектрической проницаемости сжатого вещества.
Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения и
списка литературы, включающего 105 наименования. В первой главе
описываются основные параметры газодинамических процессов и методы их
измерения. Во второй главе излагаются основные принципы
интерферометрических измерений, а также обсуждаются современные
методы их реализации и достигнутая точность. Делается- вывод о
перспективности многомодового подхода. В третьей главе теоретически и на
основании экспериментальных данных рассматривается вопрос
интерферометрического исследования тонких диэлектрических стержней ВВ.
В четвёртой-главе теоретически и на основании экспериментальных данных
рассматривается вопрос интерферометрического исследования
плоскопараллельных диэлектрических полосок из ВВ. В пятой главе теоретически и на основании экспериментальных данных рассматривается вопрос интерферометрического исследования диэлектрических шашек большого диаметра из ВВ.
В заключении излагаются основные результаты проведённого исследования.
1. На основе разработанных правил, устанавливающих формальную связь измеряемых параметров ВВ с регистрируемым сигналом и учитывающих многомодовый характер распространения зондирующего излучения в исследуемых структурах типа тонкий диэлектрический цилиндр, плоскопараллельная диэлектрическая полоска, диэлектрическая шашка, выработан метод получения совместных оценок параметров газодинамических процессов, в т.ч. нестационарных, путём оптимизации параметров расчётных интерферограмм по критерию максимального правдоподобия.
Получены соотношения для оценки потенциальной точности совместных оценок параметров на основании вычисления корреляционной функции модельной и экспериментальной интерферограмм. Установлена высокая потенциальная точность многомодового радиоинтерферометрического метода, превосходящая точность других методов.
Для указанных структур проведён анализ экспериментальных интерферограмм, получены оценки скорости ударной и детонационной волн, диэлектрической проницаемости исследуемого ВВ, а также потенциальной точности измерений указанных параметров. Потенциальная точность составила около 0.03% для є и величину меньше 0.01% для скорости.
Впервые получена совместная оценка флуктуации скорости детонации и диэлектрической проницаемости исследуемого ВВ в тонком диэлектрическом стержне. Данная оценка получена с помощью методов многомодовой радиоинтерферометрии, при этом учёт, корреляции флуктуации измеряемых параметров помог существенно увеличить точность интерферометрических оценок. С одной стороны, факты корреляции диэлектрической проницаемости с плотностью вещества, а также скорости детонации с плотностью вещества хорошо известны, с другой стороны, другие известные экспериментальные методы не позволяют непосредственно получать количественные оценки связи скорости детонации с диэлектрической проницаемостью. Наличие таких оценок чрезвычайно важно в приложении к радиоинтерферометрическим методам исследования процесса детонации.
Методом многомодовой радиоинтерферометрии получена оценка временной динамики мнимой части диэлектрической проницаемости исследуемого ВВ за фронтом ударной волны в диэлектрической шашке. Установлено, что прежде чем ударная волна породит детонационную, мнимая часть показателя преломления возмущённого ударной волной
вещества с некоторого момента начинает ускоренно возрастать и достигает значений порядка единицы ещё до начала процесса детонации.
Теоретическая значимость работы заключается в выявлении и
обосновании высокой информативности многомодового
интерферометрического метода, его высокой потенциальной точности при получении совместных оценок целого ряда параметров исследуемого процесса или вещества.
Практическая значимость работы состоит в разработанных алгоритмах получения различных одновременных оценок параметров стационарных и нестационарных газодинамических процессов, в экспериментальном подтверждении факта коррелированности скорости детонации с плотностью ВВ, и гипотезы об эволюции диэлектрической проницаемости сжатого ВВ за фронтом ударной волны. С помощью этих алгоритмов на основании экспериментальных интерферограмм получены оригинальные оценки ряда параметров исследуемых процессов. Для таких параметров, как скорость ударной и детонационной волн и диэлектрическая проницаемость ВВ полученные оценки хорошо совпали с данными независимых измерений. Установлена высокая потенциальная точность радиоинтерферометрического метода, превосходящая точность независимых методов. Также получен принципиально новый экспериментальный результат в виде произведения естественных среднеквадратичных отклонений скорости детонации и диэлектрической проницаемости ВВ.
Результаты данного исследования используются при обработке экспериментальных данных в ИФВ РФЯЦ-ВНИИЭФ. Они также внедрены в научно-исследовательских работах и учебном процессе в Нижегородском государственном университете им. Н.И. Лобачевского.
Результаты диссертационной работы представлялись на 9-й, 10-й и 11-й Научных конференциях по радиофизике (Нижний Новгород, 2005, 2006, 2007), XI и XII Нижегородских сессиях молодых учёных («Голубая Ока»,
2005, 2006), Пятой Всероссийской научно-технической конференции «Молодёжь в науке» (Саров, 2006), Международной конференции «9 Харитоновские тематические научные чтения. Экстремальные состояния вещества. Детонация. Ударные волны» (Саров, 2007), XII Международной конференции по генерации мегагауссных магнитных полей и родственным экспериментам «Megagauss-12» (Новосибирск, 2008).
По теме диссертации опубликовано 13 работ, в том числе 4 статьи в рецензируемых журналах. Список публикаций приведён в конце диссертации.
Потребности техники в развитии быстродействующих средств регистрации ИК изображений и некоторые методы, предложенные для решения проблемы
В 70-х - 80-х годах прошлого столетия все более острой становилась потребность в создании средств высокоскоростной фотографической регистрации быстропротекающих процессов в ИК области спектра. В основном это было связано с проблемами количественного описания полей излучения мощных импульсных ИК лазеров. продвижения чувствительности в ИК область спектра. Киносъемка в видимой области спектра уже долгое время является исключительно информативным способом регистрации оптической информации. Большое число применений требует использования высокоскоростной съемки (под этим термином традиционно понимают скорость съемки, которая существенно превышает способность непосредственного "оптического" восприятия человеком изменений в окружающих сценах; условно считается, что к высокоскоростной съемке относятся методы, дающие скорость фотографирования порядка 102 кадров/с и выше [21]). Методы высокоскоростной съемки с использованием галогенсеребряных фотоматериалов базируются на применении оптико -механических систем. В основе таких методов лежит либо развертка меняющегося во времени изображения по неподвижной фотопленке, либо регистрирующая фотопленка перемещается относительно неподвижной оптической системы, которая строит на ней меняющееся во времени изображение. Это делается с помощью специальных скоростных оптико-механических устройств [22]. Совершенствование соответствующих методов привело к тому, что в 80-х - 90-х годах прошлого столетия они реально достигли максимально возможного уровня характеристик как в плане достигнутой чувствительности методов, так и скорости съемки. Действительно, чувствительность этих методов достигла потолка, поскольку квантовая эффективность фотопленок к тому времени достигла практически максимальной теоретически достижимой величины порядка 70 % [23]. Скорости же систем механической развертки с помощью вращающихся зеркал имеют предел, который фактически обусловлен механической прочностью вращающихся элементов конструкций. К настоящему времени на основе оптико-механических систем построены камеры, позволяющие получать скорость съемки до 2,5.10 кадров/с [24]. Параллельно с развитием скоростных оптико - механических устройств, в последние десятилетия также разрабатывались оптико - электронные высокоскоростные системы покадровой и щелевой съемки.
Главные успехи в этом направлении развития техники достигнуты на пути создания вакуумных приборов, где используются фотокатоды, использующие внешний фотоэффект. Такие устройства работают следующим образом - см. [25]. Входное излучение поступает на фотокатод устройства, в результате чего за счет внешнего фотоэффекта в вакуумном объеме вблизи фотокатода возникает облачко электронов. С помощью элементов электронной оптики пучок электронов ускоряется и обрабатывается таким образом, чтобы строить изображение на различных участках люминесцентного экрана в последовательные моменты времени. В последние годы появились также полностью твердотельные оптико-электронные высокоскоростные приемники изображений. Они основаны на использовании матриц детекторов [26] или же высокоскоростных ПЗС - матриц. Например, фирма "Фотрон" предлагает камеры со скоростью съемки до 32 000 кадров/с при пространственном разрешении 512 х 512 пикселов [27]. Уместно отметить, что оптико - электронные средства высокоскоростной регистрации изображений в видимой и ближней ИК областях спектра к настоящему времени вытеснили, в значительной степени, оптико-механические устройства. Основная причина в том, что регистраторы с записью изображений на фотопленке сложны в обслуживании; результат съемки нельзя видеть "on-line" (поскольку для этого сначала нужно проявить пленку). Кроме того, последующая количественная обработка отснятого материала довольно трудоемка, поскольку для этого вначале нужно произвести оцифровку изображения. Такая операция выполняется с привлечением дополнительной методики, которая использует автоматизированные микроденситометры [28]. Современные же электронно-оптические системы съемки снабжены средствами управления от ЭВМ, а также устройствами ввода зарегистрированных изображений в ЭВМ, что, при решении конкретных экспериментальных задач, представляет несомненные преимущества таких систем по сравнению с оптико-механическими. Приведенный краткий обзор состояния проблемы высокоскоростной регистрации изображений в видимой и ближней ИК областях показывает значительные успехи техники в освоении данного участка спектра. Расширение же этих, хорошо развитых методов, в средневолновую ИК область спектра встретилось с большими проблемами, которые оказались, в известной мере, принципиальными. Дело в том, что красная граница внешнего фотоэффекта, даже для фотокатодов с "отрицательным" электронным сродством не позволяет, как известно, продвинуться существенно в длины волн Я, 1.3 - 1.4 мкм. Подобная же проблема существует и для фотопленок - именно, при попытке сенсибилизировать (очувствить) фотопленки на спектральную область, которая включала бы даже относительно коротковолновую часть ИК спектра (А, 1.2-1.3 мкм), такая пленка после её изготовления за довольно короткое время при обычных условиях хранения будет засвечена, даже находясь в "темноте". Фактически эффект обусловлен термодинамической нестабильностью фотоматериала. Т.е., чувствительные зерна неэкспонированной фотопленки находятся в метастабильном состоянии. При хранении таких пленок при низких температурах (скажем, в холодильнике при Т О С) время хранения (до экспозиции) может быть довольно длительным, порядка месяцев.
При обычных же условиях хранения фотопленки при комнатных температурах она довольно быстро вуалируется, т.е., теряет чувствительность и становится непригодной для использования 3. Следует в связи с этим отметить, что фотографические пленки - это, по существу, квантовые дозиметры излучений; они могут копить эффект воздействия отдельных квантов потока излучения. Как известно, изолированное чувствительное зерно галогенсеребряной фотоэмульсии становится проявляемым, когда в нем будет поглощено достаточное число п квантов света (в высокочувствительных фотоматериалах п = 3 - 4 [32]). Обычные, скажем, панхроматические, пленки изготавливаются таким образом, чтобы они обладали более или менее равномерной чувствительностью к свету внутри видимой части спектра. Как известно, при обычных температурах такие фотопленки сохраняют стабильность своих характеристик в течение длительного (вполне достаточного для их применения) времени. Они не претерпевают заметных необратимых изменений при воздействии возбуждений с энергиями е 1.2 эВ (длины волн Л 1 мкм). В отличие от видимой области спектра, прямая регистрация потока квантов ИК излучения с помощью устройства, находящегося при комнатной температуре и работающего по принципу квантового дозиметра, оказывается неэффективной, что впервые было отчетливо показано Л. Г. Парицким и С. М. РЫБКИНЫМ [30,31]. В этих же работах был Иначе говоря, фотоматериал, который чувствителен в ИК области спектра, чувствителен и к термодинамическим флуктуациям с энергиями, соответствующими этим длинам волн. Отметим, что за длительное время, в течение которого развивались методы классической (галогенсеребряной) фотографии эмпирически найдены условия приготовления материалов, которые удовлетворяют условию разумного компромисса между спектральной и энергетической чувствительностями, а также пространственной разрешающей способностью, с одной стороны, и допустимым временем хранения фотоматериалов в обычных условиях [29,30,31]. предложен некий общий принцип - т.н. принцип управляемой чувствительности, которому должны подчиняться высокочувствительные устройства регистрации изображений в ИК области спектра. Формулировка этого принципа достаточно проста - фотографическая система (т.е., система, являющаяся квантовым дозиметром излучений), может достичь максимально достижимой фотографической чувствительности лишь в том случае, когда она имеет управляющий фактор, с помощью которого чувствительность к потоку ИК света включается лишь на время полезного экспонирования.
Фотоэлектрическое управление стационарной плотностью тока
Конструкция устройства позволяет осуществлять управление током разряда за счет фотоэлектрического эффекта в полупроводнике - его засветкой в спектральной области чувствительности. На Рис. 5 показано семейство вольтамперных характеристик при различных интенсивностях возбуждающего света. Данные относятся к устойчивому режиму работы системы в условиях заполнения ГРП воздухом. В качестве полупроводникового электрода системы использовался полуизолирующий GaAs:Cr [А2]. На Рис. 6 показан пример люкс - амперной характеристики системы ПП-ГРП. Данные относятся к условиям, когда падение напряжения на полупроводниковой компоненте системе составляло 200 В. Рис. 7 дает представление о том, каким образом осуществляется преобразование изображения. На этом графике показаны зависимость плотности тока системы, а также яркость свечения выходного элемента преобразователя (в данном случае использовался люминесцентный экран, служащий анодом устройства, и возбуждаемый разрядной областью) в функции напряжения питания системы. Эти результаты получены при изменении напряжения питания устройства и неизменной интенсивности входного излучения (интенсивности подсветки приемника) света. Видно, что в области напряжений, превышающих величину пробоя разрядной области, увеличение напряжения питания сопровождается линейным ростом плотности тока и яркости экрана преобразователя. Из этих данных следовало, что при фиксированных параметрах разрядной области, яркость преобразованного изображения линейно зависит от плотности тока устройства. Полученные в работе [А2] сравнительные измерения вольтамперных характеристик системы ПП-ГРП и отдельно полупроводникового электрода позволили впервые сделать вывод, что дифференциальное сопротивление разрядной области в широком диапазоне изменения плотности тока близко к нулю, т.е., система работает в режиме Таунсендовского или простейшего (как это определено в работе [53]) разряда. Можно сказать, таким образом, что величина тока разряда определяется, при прочих равных условиях, лишь кондактансом полупроводникового электрода - см. иллюстрацию этого утверждения на Рис. 8. Т.е., электрод, по существу, является пространственно распределенным генератором тока для разрядного промежутка; (более подробное обсуждение некоторых особенностей процесса управления тока разряда полупроводниковым электродом - в связи с отличием такой ситуации от случая разрядной системы с металлическим электродом - см. Гл. 3).
В результате, в режиме Таунсендовского разряда система может обеспечивать весьма широкий динамический диапазон рабочих плотностей тока. Эта особенность систем оказывается исключительно полезной для их функционирования в качестве преобразователей ИК изображений, поскольку обеспечивает прием изображений с большим динамическим диапазоном по интенсивности входного излучения (см. Гл. 4). В течение значительного времени работы по теме диссертации исследования были мотивированы главным образом необходимостью решения проблем быстродействующей регистрации ИК изображений. Поэтому существенная часть диссертации посвящена изучению физических процессов в системе, которые связаны с необходимостью решения такого рода практических задач. К важнейшим проблемам, которые нужно было рассмотреть в связи с разработкой преобразователей, относится проблема устойчивости рабочего режима преобразователя (в том числе пространственно - однородного состояния). Использование пространственно протяженной среды, функционирующей в качестве преобразователя оптических изображений, предполагает сохранение устойчивого режима работы прибора при изменении управляющих параметров. Вместе с тем, поскольку и полупроводник и разрядная область в рабочих условиях находятся в сильно неравновесном состоянии, они оба могут быть ответственны за потерю устойчивости системы и возникновение диссипативных структур в распределениях тока. (В принципе, явления самоорганизации могут возникать также благодаря взаимодействию полупроводниковой и газоразрядной компонент - за счет того, что разряд воздействует на поверхность полупроводника, может возникать положительная обратная связь, которая инициирует потерю устойчивости однородного состояния). Опасное состояние системы (с точки зрения нарушения режима преобразования ИК изображений) возникает, в частности, в том случае, когда разрядная область переходит в состояние с ОДС S-типа. Как уже выше отмечалось, один из основных механизмов возникновения ОДС связан с переходом от режима Таунсендовского разряда к тлеющему при увеличении плотности тока (см. напр. [54]). Таким образом, ситуация, благоприятная для устойчивой работы, имеет место, когда режим работы системы таков, что горение разряда находится внутри Таунсендовской области. Хотя при малых длинах разрядной области (что обеспечивает преобразовательный режим работы структуры) в широкой области плотности тока разряд не обнаруживает ОДС однородного состояния, газоразрядная часть, тем не менее, может инициировать неустойчивую работу устройства. Это - так называемая ионизационно - перегревная неустойчивость. Неустойчивости этого типа возникают, например, в газовых смесях электроразрядных лазеров [65]. Природа явления состоит в том, что, в отличие, скажем, от твердотельных систем, протекание тока в газе может влиять на плотность проводящей среды.
Именно, увеличение локального тепловыделения при положительной флуктуации плотности тока приводит к росту давления газа в данной области и его расширению. Уменьшение плотности газа, в свою очередь, усиливает разогрев электронов электрическим полем, что может сопровождаться увеличением темпа ионизации нейтральной компоненты газонаполненного объема. В результате может возникнуть режим раскачки пространственно-неоднородных флуктуации этих величин. В Гл. 3 это явление проанализировано применительно к рассматриваемой системе; делается вывод о предпочтительном режиме питания преобразователя с целью подавить рассмотренную ионизационно - перегревную неустойчивость и связанное с ней каналирование тока разряда. Как показано в Гл. 3, из соображений устойчивости работы преобразователя при высоких плотностях тока таунсендовского разряда и обеспечения высокого быстродействия желательно, чтобы полупроводниковый фотоприемник прибора функционировал в условиях значительного падения напряжения на нем. С другой стороны, наличие высокого значения падения напряжения на полупроводнике может служить причиной возникновения неустойчивых состояний системы благодаря активным свойствам полупроводниковой компоненты (см. Гл. 3,5). Совокупность свойств систем ПП - ГРП в устойчивой области работы позволяет сделать заключение о перспективности их использования для задач высокоскоростного преобразования изображений в широкой спектральной области ИК излучений. Среди главных оснований такого суждения явилась малое время фотоответа полупроводников при примесном оптическом возбуждении, а также высокий темп процессов размножения носителей заряда в тонкой газоразрядной области в условиях высокой напряженности электрического поля в газе. Уже первые применения этих систем в задачах диагностики импульсных ИК лазерных излучений [А7] показали более высокий уровень основных технических характеристик приборов по сравнению с другими устройствами аналогичного назначения, в том числе устройствами, основанными на тепловых методах регистрации оптической информации. Выполненные дальнейшие исследования и разработки этих структур позволили создать приборы с чувствительностью в спектральной области 1-11 мкм и быстродействием в субмикросекундной области времен [А8,А10,А40]. Решение этих задач в значительной степени зависело от успеха разработки фотоприемников, удовлетворяющих специфике работы в рассматриваемых гибридных устройствах. Как будет показано в данной работе, требование высокого быстродействия преобразования изображений данной системой (наряду с необходимостью обеспечить достаточную для практики пространственную разрешающую способность) приводит к тому, что фотоприемник системы должен работать в условиях высокого электрического поля.
Основные экспериментальные факты
В этом разделе представлены экспериментальные результаты, которые дают представление об основных особенностях динамики систем ПП - ГРП. 2.2.1. Динамика структур при малых плотностях тока. Газоразрядная область преобразователя может заполняться различными газами, например, Аг, N2, Не [А 15, А16, А22, А24, А29, АЗІ, А34, А40]. Удовлетворительные результаты получаются также при заполнении ГРП воздухом, по крайней мере, в условиях, когда структура работает при комнатной температуре [10, А1, А2]. В работе [А22] исследовались характеристики горения разряда в условиях постоянного напряжения питания при заполнении ГРП азотом. Один из основных результатов представленных там исследований состоит в том, что при малых средних по времени плотностях тока, меньших некоторой критической величины (jcr 10" А/см при заполнении ГРП азотом), заряд в системе переносится импульсами. Увеличение j свыше этой величины приводит к непрерывному режиму горения. Таким образом, следует говорить о критическом поведении системы вблизи jcr. Указанные особенности иллюстрируются Рис. 11, где показаны примеры временных реализаций тока устройства для некоторого набора физических параметров структуры. Кривые получены для различных величин средней по времени плотности тока структуры. Эти данные свидетельствуют, что вблизи критической плотности тока, как ниже, так и выше jcr динамика системы характеризуется широким спектром шума, где присутствует доминирующая компонента с частотой /о. Величина /о возрастает с увеличением плотности тока системы - см. О существовании колебательной компоненты в динамике системы при малых плотностях тока свидетельствуют также эксперименты, где в условиях возбуждения фотоприемника структуры ступенчатым во времени излучением лазера [А22] (за счет такого возбуждения ступенчатым образом увеличивается проводимость полупроводникового электрода). В этих опытах под действием импульса света осуществлялся переход системы из состояния с малым током в состояние с увеличенной, но относительно невысокой плотностью тока (которая устанавливалась в диапазоне 2-6 мкА/см2). Полученные результаты показывают возникновение в структуре нелинейных колебаний (Рис. 13).
Поведение системы напоминает явление ударного возбуждения нелинейного колебательного контура. Колебания горения разряда могут возникать и в том случае, когда сопротивление полупроводникового электрода в процессе переходного процесса не изменяется (оптическое импульсное возбуждение отсутствует), а питание системы осуществляется импульсом напряжения. Примеры переходных характеристик в этих условиях представлены на Рис. 14 [А34]. Экспериментальные кривые на этом Рис. получены для условий криогенного разряда в гелии при разных проводимостях полупроводникового электрода. Эти данные свидетельствуют, что при относительно высоких сопротивлениях полупроводника стационарное состояние системы устанавливается после прохождения колебательной стадии горения разряда. Увеличение проводимости полупроводникового электрода приводит к уменьшению колебательной составляющей переходного процесса (Рис. 14 а - с); а при достаточно высоком значении проводимости колебания не наблюдаются (Рис. 14 d). Исследование динамики переходных процессов в условиях импульсного оптического возбуждения структуры показывает также, что при увеличении интенсивности возбуждения характер переходного процесса изменяется, именно, колебательная стадия переходного процесса сокращается, а частота колебаний увеличивается. Обнаружено, что увеличение напряжения питания приводит, при прочих равных условиях, к сокращению длительности переходного процесса, который инициируется импульсным оптическим возбуждением системы [А29]. Следует отметить, что на начальных стадиях процесса наблюдается когерентный отклик системы на пространственно однородное возбуждение - см. Рис. 15, где показан пример фотохронограммы горения разряда в таких условиях при приложении к структуре имульсп напряжения. Как будет показано в следующем разделе, обнаруженные особенности динамики работы системы (режим прерывистого горения разряда, наличие колебательной компоненты в динамике непрерывно горящего разряда, осциллирующий во времени отклик преобразователя на ударное возбуждение, а также основные закономерности переходных характеристик) могут быть интерпретированы с привлечением сравнительно простой модели. 2.3. Модель динамических процессов. Исследуемая система включает два основных слоя с существенно разными электрическими свойствами - полупроводниковую компоненту и газонаполненный промежуток - см. схематическое представление преобразователя на Рис. 16. Работа системы в качестве преобразователя изображений предполагает линейность отклика фотоприемника на изменение интенсивности входного ИК излучения. ГРП в условиях самостоятельного разряда всегда являет собой существенно нелинейный элемент. Нелинейность разрядной области обусловлена, в первую очередь, процессом лавинного размножения электронов при их движении в межэлектродном пространстве - вдоль оси z Рис. 16. При этом плотность электронов (а также, соответственно, плотность положительно заряженных ионов) меняется вдоль координаты z. Отсюда следует, что описание динамики тока разрядной области при изменении разности потенциалов на электродах ГРП является довольно сложной задачей. Оно требует рассмотрения временного изменения локальной плотности носителей во всей области промежутка в условиях меняющейся во времени разности потенциалов на электродах структуры. При этом необходимо учитывать динамику локального электрического поля, которое модифицируется объемным зарядом носителей.
Такая задача довольно сложна [А34, 102] и не позволяет провести ее аналитическое рассмотрение. Ниже мы рассмотрим упрощенную модель явлений, которая, тем не менее, позволяет интерпретировать важные особенности динамики преобразователей. В модели [А24, А29] полагается, что для описания проводящих свойств разрядной области достаточно указать полное число носителей заряда N для единичной площади структуры; будем также считать, что величина вменяется в соответствии с уравнением: т.е., при некоторой (критической) разности потенциалов на промежутке U = Ucr величина N стационарна, для U Ucr плотность носителей нарастает; при выполнении обратного неравенства затухает во времени. Характерное время этого процесса TN. Уравнение для динамики падения напряжения на ГРП запишем в виде: где первый член в правой части описывает зарядку емкости ГРП от источника напряжения Uo с постоянной времени тц; второй член описывает разрядку емкости благодаря присутствию свободных носителей заряда в промежутке. В рассматриваемой простой модели (4,5) природа носителей заряда в ГРП не специфицируется. На качественном уровне свойства модели не зависят от того, какому типу носителей приписывается роль в проводимости ГРП. Ниже, при выполнении конкретных расчетов с использованием этих уравнений будем для определенности считать, что носители заряда в промежутке - электроны. Отметим, что форма нуль-изоклины уравнения (4) дает независимость напряжения на ГРП от величины N. Это находится в соответствии с "вертикальностью" вольтамперной характеристики Таунсендовского разряда, см. соотношение (2) и комментарии к нему в Главе I. В работе [А24] получены следующие выражения для коэффициентов системы (4,5): Для типичной геометрии преобразователя величина Тц отличается от максвелловского времени вещества полупроводникового электрода множителем порядка 2 [А24]. где тм- максвелловское время материала фотоприемника; CgJCs- отношение емкостей разрядной и полупроводниковой частей; ve - дрейфовая скорость носителей в ГРП; В -коэффициент линейного разложения коэффициента ударной ионизации первого коэффициента ионизации а по электрическому полю [А24]. Уравнения (4,5) имеют следующие свойства: При U0 U решение имеет вид Физическая интерпретация этого решения проста: при напряжении питания, меньшем критической величины поддержания самостоятельного разряда, область ГРЦ находится в диэлектрическом состоянии.
Некоторые следствия полученных результатов применительно к решению задач скоростной регистрации ИК излучений
Закономерности нелинейных динамических процессов в системах ПП - ГРП информативны с точки зрения понимания возможностей использования устройств в задачах скоростного преобразования ИК изображений. В частности, возникновение режима прерывистого горения разряда, которое наблюдается при малых токах, может оказывать определяющее влияние на характер преобразования ИК изображений при малых интенсивностях света. Действительно, при этом нарушается временное соответствие преобразованного изображения относительно входного, что, естественно, отрицательно сказывается на динамических характеристиках устройства. При работе в таких условиях может, например, оказаться, что импульс света, несущий изображение, поступает на приемник в момент времени, когда разряд в структуре отсутствует. Очевидно, что возникновение такого состояния крайне нежелательно, поскольку время ответа устройства на оптическое возбуждение в этом случае увеличивается. Такая ситуация возникала в опытах по регистрации ИК лазерного излучения, описанных в [А11]. В этих экспериментах использовался фотоприемник на основе Si:Au. В условиях низких температур структуры преобразователя (Т 85 К) приемник обладал высоким удельным сопротивлением ( 1010 Ом-см). В результате, в неосвещенном состоянии плотность тока структуры была меньше значения, критического для появления режима прерывистого горения разряда imi„ 10"6 А/см2. В качестве источника ИК излучения использовался YAG:Nd лазер с длиной волны излучения Л = 1.06 мкм и длительностью импульсов порядка 30 не. Было обнаружено, что отклик системы на такое возбуждение имел задержку во времени, причем эта задержка статистически менялась по величине при периодическом повторении импульсного оптического возбуждения прибора. Увеличение же начальной ("темновой") плотности тока приводило к резкому сокращению этой временной задержки, т.е., к существенному повышению эффективного быстродействия преобразователя (детали см. в [АН]). Вместе с тем, необходимо иметь в виду, что увеличение начальной плотности тока сопровождается сокращением диапазона плотностей рабочего тока. Соответственно, это приводит к сужению динамического диапазона интенсивностей света, в пределах которого возможно преобразование ИК изображений.
Исходя из описанных выше результатов, реальный динамический диапазон преобразователей в импульсных режимах может достигать 107, если принять, что верхняя граница для плотности тока в импульсах соответствует j„aX 101 A/cm2. Типичный режим работы преобразователя в условиях питания структуры импульсным напряжением показан на Рис. 20 [А40]. С некоторой временной задержкой относительно возникновения разрядного тока фотоприемник структуры подсвечивается прямоугольным импульсом света ИК лазера. Это приводит к увеличению тока разряда и, соответственно, яркости свечения разрядной области. По окончании оптического возбужденияфотоприемника свечение разряда затухает. Исследования системы показали [А40], что в условиях применения фотоприемников с высокой проводимостью реакция преобразователя на импульсное оптическое возбуждение может быть очень быстрой, с характерными временами ответа порядка 50 не. 2.5. Основные выводы. 1. Динамические свойства преобразователя изображений ПП-ГРП существенно зависят от плотности тока. Высокое быстродействие преобразования обеспечивается при больших значениях этой величины. 2. Уменьшение среднего по времени тока до величин j 10"6 А/см2 приводит к прерывистому его протеканию. По существу, в этом режиме структура проявляет свойства релаксационного генератора. Емкостной эффект в устройстве обусловлен наличием естественных емкостей структуры, процессы размножения носителей заряда в разрядной области дают индуктивный эффект динамики тока. 3. Предложена нелинейная модель системы, которая включает две переменные -разность потенциалов на области ГРП и плотность носителей в нем. Модель позволяет описать основные наблюдающиеся закономерности динамики преобразователей ИК изображений. Сюда относятся: і) переход к прерывистому режиму активного тока при его малых средних по времени значениях, И) существование резонансного отклика системы на малое гармоническое возмущение, которое воздействует на преобразователь дополнительно к постоянному напряжению питания. Ш) основные особенности динамики переходных процессов при ступенчатом возбуждении фотоприемника светом, в частности, сокращение длительности переходных процессов при увеличении тока системы. 4. Динамика системы при малых токах близка к той, которая описывается классической нелинейной системой уравнений Лоттка-Вольтерра для двух переменных. 5. Найденные закономерности динамики системы ПП - ГРП позволяют давать рекомендации относительно режимов работы приборов в задачах высокоскоростного преобразования инфракрасных изображений - в частности, при решении проблем, требующих предельно высокого временного разрешения преобразования. Структура ПП - ГРП - это система с пространственно-распределенными параметрами. В рабочем режиме обе компоненты устройства находятся в существенно неравновесных условиях. Для того, чтобы система выполняла функцию преобразования ИК изображений в видимые, необходим, очевидно, устойчивый режим ее работы. Это означает, что флуктуации параметров системы, напряжения питания и плотности тока не должны производить спонтанный переход пространственной структуры плотности тока преобразователя (эта структура задается распределением интенсивности ИК света) в иное состояние.
Заметим, что за возникновение неустойчивых состояний могут быть ответственны обе неравновесные подсистемы устройства (неустойчивость может, в принципе, вызываться также взаимодействием частей системы). В настоящей главе будут кратко рассмотрены некоторые предпосылки функционирования системы в устойчивом режиме, а также ряд механизмов возникновения неустойчивых состояний. Относительно подробно мы остановимся на одном из механизмов -так называемой ионизационно - перегревной неустойчивости, которая обусловлена специфическими свойствами транспорта в газовых средах с умножением носителей заряда за счет лавинного процесса. Ряд других механизмов будет рассмотрен здесь конспективно; в дальнейшем, в связи с исследованиями явлений самоорганизации пространственных и пространственно-временных структур в распределениях тока они рассмотрены более подробно (Гл. 5 - 7). Подчеркнем, что в настоящей главе будут рассмотрены неустойчивости системы в условиях, когда в разрядной области реализованы условия Таунсендовского разряда. Т.е., будут рассмотрены неустойчивости, которые могут развиться для набора параметров системы, которые типичны для системы как преобразователя оптических изображений. Такие неустойчивости, очевидно, нарушают функционирование преобразователей. Существует также механизм неустойчивости исследуемых структур, который обусловлен отрицательным дифференциальным сопротивлением S-типа в газоразрядной области. Такой сценарий потери устойчивости является довольно общим для электрических систем. В условиях наших экспериментов этот эффект проявляется в условиях перехода от Таунсендовского разряда к тлеющему. Неустойчивость такого рода и связанные с этой неустойчивостью явления самоорганизации пространственных и пространственно-временных структур рассмотрены в Главах 6, 7. Возникновение неустойчивых состояний за счет газоразрядной части системы обусловлено автокаталитической активностью разрядного объема, в основе которой лежат процессы лавинного размножения в нем носителей заряда. В Главе 2 была рассмотрена простейшая нелинейная модель работы преобразователя, которая дает так называемую "вертикальную" вольтамперную характеристику разрядной области. Такое описание соответствует наблюдающемуся на эксперименте Таунсендовскому разряду при параметрах разрядной области, которые применяются в системе в режиме преобразования изображений. Простейшая Таунсендовская форма разряда характеризуется практически нулевым дифференциальным сопротивлением и не должна, на первый взгляд, служить причиной неустойчивости.
