Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Обзор и анализ современного состояния электронно- оптического измерительного телевизионного приборостроения 16
Глава 2. Методы математического моделирования и аппроксимации ха рактеристик телевизионных электронно-оптических измерительных систем 54
2.1. Методы исследований характеристик и расчета параметров ЭОП 54
2.2. Математическая модель электростатической системы отклонения электронного пучка 62
2.3. Аналитическая оценка предела временного разрешения электронно-оптической системы 68
2.4. Методы компенсации аберраций в электронно-оптических камерах 70
2.5. Влияние шумов на динамическую погрешность электроннооптической системы 76
Глава 3. Разработка измерительного пикосекундного электронно оптического преобразователя 82
3.1. Численный расчет характеристик малогабаритного пикосекундного ЭОП 82
3.2. Разработка конструкции малогабаритного пикосекундного преобразователя 91
3.3. Исследование характеристик изготовленных макетов преобразователей 106
Глава 4. Увеличение точности измерений пространственно-временных характеристик импульсных сигналов телевизионной электронно-оптической системой 123
Заключение 164
Список использованных источников информации 167
Приложения:
- Математическая модель электростатической системы отклонения электронного пучка
- Методы компенсации аберраций в электронно-оптических камерах
- Разработка конструкции малогабаритного пикосекундного преобразователя
- Исследование характеристик изготовленных макетов преобразователей
Введение к работе
Многие научные организации в России и за рубежом занимаются изучением характеристик быстропротекающих процессов (БПП) по сопровождающему их оптическому излучению. В области радиотехники и телевидения к ним можно отнести такие задачи, как организация передачи и приема короткоимпульсных сверхширокополосных сигналов, машинное зрение, лазерная локация, изучение электрических пробоев и разрядов, тепловидение и рентгеноскопия, объемная томография и процессы неразру-шаюшего контроля. В области квантовой электроники представляют интерес такие задачи, как измерение излучающих характеристик поверхностей, взаимодействие лазерного излучения с веществом, изучение состояний плазмы, фазовые переходы в различных средах и др. При этом все большую остроту для исследователей приобретают такие характеристики телевизионных измерительных систем, как пороговая чувствительность, частота видеосъемки, уровень аппаратных шумов, динамический диапазон, полоса пропускания и погрешность измерений.
Актуальность проблемы. В настоящее время для осуществления высокоскоростной (10 ...10 кадров/сек) видеорегистрации в оптическом диапазоне широко используются цифровые системы на основе твердотельных ПЗС или КМОП матричных детекторов. Несмотря на простоту и удобство использования им присущ ряд известных недостатков, главные из которых — достаточно высокий уровень аппаратных шумов, ограничивающий пороговую чувствительность, и необходимость накопления и переноса зарядов вдоль поверхности фоточувствительного кристалла, ограничивающая кадровую частоту видеосъемки.
Одним из способов увеличения чувствительности и частоты съемки телевизионной системы является использование гибридной электронно-оптической видеографической камеры, состоящей из электронно-оптического преобразователя (ЭОП), состыкованного с цифровой системой обработки изображений.
Электронно-оптический преобразователь в сравнении с традиционными матричными фотоприемниками телевизионных измерительных систем отличается высоким быстродействием (теоретический предел временного разрешения 10~14 с), большим объемом одновременно регистрируемой пространственной информации (до 106...108 разрешаемых элементов), предельной чувствительностью (регистрируется каждый электрон, эмитируемый фотокатодом), широким спектральным диапазоном регистрации (от рентгеновского до ближнего ИК излучения).
За последние годы в литературе опубликован ряд работ по применению электронно-оптических телевизионных систем (камер) не только для получения феноменологической информации о регистрируемых процессах, но и для измерений различных параметров, таких как пространственные и временные интервалы, относительные, а иногда даже и абсолютные
интенсивности сигналов, длительности сигналов и др. До недавнего времени применение таких камер ограничивалось в основном высокой погрешностью измерения пространственно-временных интервалов вследствие присущих такого рода системам оптических и электронных аберраций изображения. Исследованию и разработке электронно-оптических методов и устройств регистрации быстропротекающих процессов посвящены труды A.M. Прохорова, A.M. Леонтовича, Л.А. Арцимовича, М. М. Бутслова, Б. М. Степанова, С. Д. Фанченко, М.Я. Щелева, Е.К. Завойского, Д. Герберта, Е. Милота, Ф. Шабана и других отечественных и зарубежных ученых. Вместе с тем в данной области имеются вопросы, требующие более глубокой проработки и развития.
Проведенный автором анализ современного состояния средств измерений в области фотоники в России показал, что описываемые в действующих по настоящее время стандартах ГОСТ Р 25677-83, ГОСТ Р 21815.(0-17)-86 «Преобразователи импульсного излучения электронно-оптические измерительные», ГОСТ Р 21815.18(19)-90 и других методы проведения измерений устарели и не учитывают современного уровня развития технологий, а рекомендованная для проведения измерений аппаратура морально устарела и в настоящее время не выпускается.
Растущий объем импульсных источников излучений, включающих твердотельные, газовые, жидкостные и оптоволоконные лазеры, органические и полупроводниковые светодиоды в промышленности, научных исследованиях, медицине и военном деле ставит задачу по созданию электронно-оптических средств измерений временных характеристик различного уровня от рабочих до эталонных.
Особенно актуальной эта задача становится в связи с вводом в России с 2009 г. ГОСТ Р ИСО-11554. Согласно этому стандарту, прибор для измерения формы импульса излучения, в состав которого входят первичный измерительный преобразователь (ПИП), а также электронные звенья, должен иметь временные характеристики, позволяющие без искажений воспроизводить импульс, фронт которого не менее чем в 10 раз короче длительности фронта регистрируемого импульса. Таким образом, для измерения характеристик сигналов длительностью 10-9... 10-6 с необходимо иметь динамический диапазон регистрирующей системы порядка 104 при полосе пропускания не менее 10 ГГц. Обеспечить такие характеристики могут только измерительные системы на базе ЭОП.
Решение этой серьезной научной проблемы определяет актуальность настоящей диссертации, направленной на разработку и исследование высокоточных методов и средств измерения параметров и характеристик пи-косекундных сигналов, что позволяет существенно повысить точность измерений пространственно-временных характеристик импульсного излучения электронно-оптическими камерами в интересах всех отраслей экономики нашей страны.
Целью работы является:
исследование возможности усовершенствования существующих высокоскоростных электронно-оптических камер и ЭОП с целью улучшения их динамических, временных и передаточных характеристик;
создание современных средств и методов измерения пространственно-временных характеристик оптического излучения на основе новых камер и ЭОП, обладающих широкими динамическим диапазоном, высокой временной и пространственной разрешающей способностью;
разработка методов повышения точности измерений характеристик
импульсного излучения электронно-оптическими системами;
создание метрологической базы для измерения характеристик, поверки
и аттестации электронно-оптических камер.
В соответствии с целями в работе решены следующие задачи:
разработана конструкция и предложена новая технология изготовления пикосекундного малогабаритного измерительного ЭОП;
создана оригинальная математическая модель измерительного ЭОП с использованием современных средств компьютерного моделирования, оценены степень и величина влияния каждого из его узлов на пространственно-временные и передаточные характеристики;
исследованы виды и характер искажений сигналов, возникающих в сквозном тракте электронно-оптической камеры и уровень вклада каждого вида искажений в полную погрешность измерений;
предложены методы повышения точности измерений пространственно-временных и энергетических характеристик сигналов электронно-оптическими измерительными камерами, позволившие существенно уменьшить искажения сигналов в сквозном передаточном тракте;
разработана оригинальная комплексная методика поверки и измерения пространственно-временных, энергетических и спектральных характеристик электронно-оптических камер.
Методы исследования. При проведении исследований в работе использованы: методы спектрально анализа, аппарат теории поля и классической электродинамики, дифференциальные и интегральные преобразования двумерных сигналов, методы аппроксимации радиальными полиномами Цернике, теория вероятностей и математическая статистика, различные способы аппроксимации и интерполяции функций, теория передачи и преобразования информации, методы топологических преобразований, методы компьютерного моделирования и проектирования.
Научной новизной обладают следующие результаты. 1. Усовершенствованная математическая модель и оригинальные методы расчета характеристик универсальных малогабаритных времяанализирующих измерительных ЭОП для телевизионных систем.
Высокоэффективный программный метод устранения пространственно-временных искажений в сквозном преобразующем тракте измерительной электронно-оптической телевизионной системы.
Новый малогабаритный универсальный пикосекундный времяанали-зирующий ЭОП, не имеющий зарубежных аналогов по потребляемой мощности и габаритам среди приборов аналогичного уровня.
Методы улучшения пространственно-временных характеристик электронно-оптических измерительных систем, позволившие существенно уменьшить величину искажений в сквозном тракте электронно-оптических измерительных систем.
Оригинальная комплексная методика поверки и измерения пространственно-временных, энергетических и спектральных характеристик электронно-оптических измерительных систем.
Практическая ценность заключается в:
разработке и создании полностью автоматизированной дистанционно управляемой пикосекундной измерительной камеры для исследования пространственно-временных характеристик оптического излучения с гарантированной погрешностью, отвечающей мировым стандартам;
разработке и создании макета измерительного комплекса для хранения и передачи временных характеристик импульсного оптического излучения во временном диапазоне от 10 до 10 с;
создании оригинальных комплексных методик поверки и измерения
пространственно-временных, энергетических и спектральных характеристик
электронно-оптических телевизионных измерительных систем.
Основные научные положения, выносимые на защиту
Новый класс малогабаритных импульсных электронно-оптических измерительных телевизионных систем, обладающих широкими динамическим диапазоном и полосой пропускания, высокой пространственно-временной разрешающей способностью.
Метод коррекции геометрических и фотометрических искажений электронно-оптического тракта и линеаризации передаточной характеристики измерительной системы.
Новые методы измерения пространственно-временных характеристик оптического излучения на основе импульсных электронно-оптических телевизионных систем нового поколения.
Оригинальные методы повышения точности измерений пространственно-временных характеристик импульсного излучения электронно-оптическими телевизионными системами.
Метрологическая и аттестационная база для измерения характеристик, поверки и аттестации электронно-оптических камер.
Основные результаты работы внедрены в ведущих научно-технических центрах и организациях: ФГУП ВНИИОФИ, РФЯЦ ВНИИЭФ г. Саров, ГНЦ ИТЭФ, ИНЭП ХФ РАН, ИНХС РАН, ИПФ РАН, концерне
радиостроения «ВЕГА», ГНЦ ВНИЦ ВЭИ, ГНТЦ им. Хруничева, РНЦ «Курчатовский институт», ГНЦ ТРИНИТИ, учебном процессе МИРЭА.
Апробация работы. Основные результаты и положения диссертационной работы докладывались и обсуждались с 2000 по 2009 гг. на Российских и международных научно-технических конференциях: «Высокоскоростная фотография и фотоника», международной конференции по физике плазмы и УТС, международном симпозиуме по ударным волнам, международной конференции «Фундаментальные проблемы радиоэлектронного приборостроения», международной конференции «Цифровая обработка сигналов и ее применение», всероссийской конференции «Фотометрия и ее метрологическое обеспечение» и ряде других.
Достоверность основных положений и выводов подтверждена экспериментально в процессе исследований с применением разработанных электронно-оптических камер, сравнении результатов измерений с эталонами частоты и яркости, совпадением результатов измерений с расчетами и данными, полученными другими авторами, а также актами о внедрении и использовании научных и практических результатов диссертации.
Публикации. Результаты диссертационных исследований опубликованы автором более, чем в 25 работах (из них 4 статьи в ведущих научных журналах и изданиях, выпускаемых в Российской Федерации и рекомендуемых ВАК для публикация основных материалов диссертаций, представляемых на соискание ученой степени кандидата наук).
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, пяти приложений, списка использованных источников информации, включающего 126 наименований, содержит 188 страниц текста, 26 рисунков и 18 таблиц.
Математическая модель электростатической системы отклонения электронного пучка
При этом каждый экран Sj находится под заданным потенциалом Vj, j = 1,2,...,N. Если Е = {Ej} (і = 1, 2, 3) — вектор электрического поля, индуцированного системой экранов S, то Е; (х) = —дср{х) I dji, где х = {xj} — декартовые координаты точки х в R3, а ф(х) — потенциал поля Е, удовлетворяющий уравнению Лапласа с условиями Дирихле на S, то Si Решение краевой задачи (2.14) допускает представление в виде потен циала простого слоя Р\х) )s , _ №\хі) хі є с плотностью и(х), \х х{\ интегральному уравнению I рода, где ф(х) — сужение элемента евклидова объема на поверхность S, а \х—jCjj является евклидовым расстоянием между точками х и xt. Численное решение уравнения (2.15) строится в рамках МКГ на основе конечных групп симметрии, разрывно действующих на Sj поверхностях, и инвариантности операторов Аи = %Si(.x)AzSi(.x) (сужение А на Sj) к преобразованиям данных групп. Характеристики ЭОС, в том числе и фукнция рассеяния от точечного эмиттера, описываются задачей Копій для системы обыкновенных дифференциальных уравнений где r — радиус—вектор частицы массы m и заряда е, t — пролетное время. В свою очередь начальные условия вылета частицы характеризуют функции распределения начальных скоростей электронов, эмитируемых из точки, по величине и направлению. Данные распределения являются индивидуальными характеристиками катода и в основном определяются экспериментально. Пусть Р — точка вылета электронов с катода (точечный эмиттер). При моделировании традиционно полагается, что вероятность вылета частицы в телесном угле асо под углом 9 к нормали пропорциональна cosk 0ао , к = 1,2, 3,... (к = 1 соответствует закону Ламберта). Далее, если специально не оговорено, рассматриваются пучки из N равновероятных траекторий с законом распределения по углам cos3 0 в предположении, что все электроны имеют одинаковую энергию вылета (энергетический разброс в источнике в данный момент не учитывается). Свойства изображения изучаются на поверхности S, где S может быть экраном, поверхностью изображения либо заданной секущей плоскостью, при этом электроны из точки Р катода собираются на некотором сегменте dSP поверхности S. Пусть (ть х2, із) — система ортогональных координат, выбранная таким образом, что поверхность S является частью координатной поверхности! 3 = const. В этом случае каждая траектория пучка электронов {х;}, і = 1, 2,..., N, из точки Р катода на S характеризуется координатами {(хіь хі2)}. Тогда центр рассеяния v J элементарного пучка и среднеквадратичное отклоне ние о (покоординатно O(XJ) = 1,2) от центра тяжести определяются по формулам: где ij—т — евклидово расстояние между точками 1 и т; хьг є S. Среднеквадратичное отклонение с от центра тяже сти г пучка электронов дает представление, в определенных случаях достаточно точное (осе-симметричные ЭОС), только о площади пятна рассеяния (сегмента dSP). В свою очередь, форму и структуру пятна рассеяния элементарного пучка электронов характеризует функция рассеяния SP(x) от точечного эмиттера Р, которая определяется следующим образом: Введенная функция рассеяния от точки SP(x) непре рывного аргумента x S с дискретной областью значений оказывается неудобной как для после дующего анализа, так и для визуализации. Вместо SP(x) более удобно ра с-сматривать аппроксимирующие ее функции SP(i, j), для построения которых пятно рассеяния dSP (SP(x) = 0 при т е dSP) заключим в прямоугольник dSP, центр которого совпадает с центром х рассеяния пучка электронов ;}. На указанный прямоугольник наносится равномерная прямоугольная сетка где {Mi} и {М2} — заданные множества целых чисел таким образом, что центром прямоугольной ячейки сйоо является центр рассеяния г пучка. Приписывая теперь Sp(i,j) значения, равные числу электронов, попавших в ячейку Гоц, получим искомую аппроксимирующую функцию. Функции рассеяния Sp(ij) в достаточной мере характеризуют пространственную структуру элементарного пучка электронов, однако выделение всей информации о структуре пучка, содержащейся в указанных функциях, возможно только при использовании сглаживающей цифровой фильтрации. Цифровая обработка вычисленных функций рассеяния Sp(i,j) осуществляется на основе разделенных адаптивных цифровых фильтров двумерных сигналов, использующих дискретные В—сплайны. Сглаживающая фильтрация проводится в интерактивном режиме: вначале задается дискретный масштабирующий S—сплайн с последующей обостряющей цифровой фильтрацией на основе итерационного процесса. Ранее подобная сглаживающая процедура двумерных импульсных сигналов использовалась в численном анализе обратных многомерных задач нестационарной теплопроводности [67]. При счетном анализе структуры изображения, передаваемого ЭОС, наряду с элементарными рассматриваются и суммарные пучки, включающие все электроны, эмиттируемые из заданного множества {Рк} точек катода. Для характеристики структуры указанных суммарных пучков в полной аналогии с элементарными вводятся соответствующие функции рассеяния: S(x) и S(i,j). Следует отметить, что функции рассеяния SpO (Sp(i,j)) характеризуют пространственную структуру пучка электронов и позволяют оценить именно пространственное (техническое) разрешение анализируемого прибора. В то же время в рассматриваемой счетной модели ЭОС траектории электронов являются функциями как координат, так и времени. Следовательно, от Sp«0 (Sp(i,j)) можно перейти к рассмотрению функций рассеяния Sp(i, t) (Sp(i, j, t)) и тем самым получить оценку временной разрешающей способности прибора. Компьютерный анализ структуры изображения рассматриваемого класса трехмерных ЭОС предворяет численное моделирование осесимметричной ЭОС, состоящей из фотокатода, отклоняющих пластин, плоскости кроссовера и люминесцентного экрана. Время пролета электрона от фотокатода до плоскости отклонения в общем случае описывается выражением: о где: , - (2е/т) 2, е и т- заряд и масса электрона; zj - координата плоскости отклонения; Ф(г) - распределение потенциала по траектории движения элек-трона; и0- удовлетворяет условию eu0=0.5mV0z, где V0z- нормальная составляющая начальной скорости фотоэлектрона. Очевидно, что разности времен пролета электронов с нулевым и ненулевым начальными импульсами (mV0z=0 и mV0#0) до плоскости отклонения в первом приближении и определяют временные аберрации электронно— оптической системы ЭОП. Для уменьшения разности времен пролета на небольшом расстоянии от фотокатода устанавливается ускоряющий электрод, который создает в зазоре между ними электрическое поле очень высокой напряженности. При этом разность времен пролета фотоэлектронов с нулевым и ненулевым начальными импульсами описывается выражением [68]: где: zg - координата ускоряющего электрода; zrf- координата плоскости отклонения; Е0 - напряженность электрического поля в зазоре между фотокатодом и ускоряющим электродом; Здесь первый член выражения определяет временные аберрации в плоскости ускоряющего электрода, а второй в пространстве фокусировки и дрейфа электронного пучка. Поскольку в электростатической электронно—оптической системе для фокусировки фотоэлектронов, сильно разогнанных ускоряющим электродом, требуется заметное снижение потенциала в пространстве между ним и анодом, оба члена выражения имеют величины одного порядка. Уменьшению временных аберраций способствует уменьшение абсолютных величин времен пролета электронов, что может достигаться за счет повышения потенциала анода и сокращения длины пролетного пространства. Однако, поскольку это приводит к снижению чувствительности отклоняющих пластин и увеличению масштаба изображения, в настоящей работе применено следующее решение: ускоряющая сетка расположена на расстоянии 2 мм от фотокатода, а для создания необходимой напряженности поля в прика-тодной области напряжение на ней относительно фотокатода поднято до 5 кВ, при этом анодное напряжение составляет так же 5 кВ. Для обеспечения фокусировки фотоэлектронного изображения потенциал между ускоряющей сеткой и анодом несколько ниже 5 кВ, но это не должно сильно увеличивать разность времен пролета так как импульсы фотоэлектронов в этой области намного больше их начальных импульсов. Оценка по приведенным формулам показывает, что разброс времен пролета электронов порядка 1 пс для многощелочного фотокатода в такой электронно—оптической системе можно обеспечить при расстоянии между ускоряющей сеткой и анодом около 80 мм даже при понижении напряженности поля у фотокатода с ЗкВ/мм до 2.5кВ/мм, что может только положительно сказаться на электропрочности ускоряющего промежутка и повышении надежности преобразователя.
Методы компенсации аберраций в электронно-оптических камерах
Поскольку в считывающем устройстве электронно—оптической системы цифровой регистрации используется в качестве преобразователя свет - сигнал многоэлементный фотоприемник с жестким растром (ПЗС матрица) основным источником геометрических искажений изображения является ЭОП. Геометрические искажения изображения в ЭОП обусловлены рядом следующих причин:Подушкообразная дисторсия электростатической электронно— оптической системы преобразователя.Значительная неоднородность поля отклоняющих пластин в поперечном сечении электронного пучка из—за того, что среднее расстояние между пластинами (они поставлены под углом друг к другу для повышения чувствительности) соизмеримо с шириной пластин. Неоднородность отклоняющего поля отклоняющих пластин в продольном сечении электронного пучка, связанная с полями рассеяния на входе и выходе из отклоняющей системы. Нелинейность электронной развертки, особенно в случае разверток на-но и субнаносекундных длительностей.
Указанные искажения носят постоянный характер, что дает возможность для их минимизации использовать программные средства обработки изображений. Для этого достаточно подать на вход камеры двумерный тестовый сигнал, форма и вид которого заранее известны, и сравнить его изображением, полученным на выходе системы. При этом каждому пикселю выходного изображения можно присвоить поправочные коэффициенты для яркостей/координат, находящиеся в памяти ПК на жестком диске, для коррекции истинного положения точек изображения.
В рамках работы были использованы программные методы восстановления прямых линий на искаженном дисторсией изображении в электронно—оптическом тракте камеры.В оптике каждое двумерное изображение может быть разложено в двумерный спектр пространственных частот. Эта операция соответствует представлению изображения в виде дискретного или непрерывного набора синусоидальных решеток различных периодов и ориентации (рис.2.2.).
Картина в фокальной плоскости F объектива Лі является первичным изображением (или спектром), а картина в плоскости Р2 - вторичным изображением. Нетрудно видеть, что для получения правильного изображения объекта необходимо, чтобы изображение в плоскости Р2 образовалось в результате взаимодействия лучей, идущих от всех максимумов А0,
Аь А2 и т.д. Таким образом, операция разложения изображения транспаранта Pi в спектр по пространственным частотам осуществляется с помощью линзы Лі. Каждая из синусоидальных решеток, на которые можно разложить изображение, действует независимо. Решетки большей пространственной частоты отклоняют свет первых порядков на большие углы. Эти лучи фокусируются линзой Лі в точку, удаленную от центра плоскости F. Решетка с большим периодом создает на плоскости F освещенные точки, менее удаленные от центра. Так, если в плоскости помещена тонкоструктурная сетка, которая освещается параллельным пучком света, то в плоскости F отчетливо виден двумерный спектр. Если теперь последовательно диафрагмировать этот спектр, можно наблюдать в плоскости Р2 синтез изображения сетки. Сказанное выше можно пояснить математической записью преобразования Фурье. Если плоская монохроматическая волна амплитудой а нормально падает на предмет с амплитудным пропусканием п е-риодом Т, шириной т, то линза Лі преобразует этот сигнал в спектр, т.е.
На сегодняшний день можно выделить два основных способа математического описания поверхностей изображения (волновых фронтов): 1. Представление в виде коэффициентов разложения по степенному базису: где х,у - прямоугольные координаты точки, tOij - коэффициенты разложения. где PFO, )- описываемая функция, р и ф - полярные координаты точки, Спт и Snm коэффициенты разложения, R(р)- радиальные полиномы Цернике. Оба способа представления можно обобщить выражением: где W(x,y)- описываемая функция (функция деформации поверхности, волновой фронт),с,— коэффициенты разложения функции W(x,y)uo базисным функциям «,. (х, у). При использовании представления (2.25) предполагается, что описываемая функция W(x,y) ведет себя достаточно гладко и используемые базисные функции являются хорошим приближением для реальной (описываемой) функции. Такой подход значительно облегчает анализ W(x,y) (особенно в случае ортогонального базиса) — каждый коэффициент с, (или группа из нескольких коэффициентов) описывает составляющую, соответствующую базисной функции аДх,; ). Причем каждый коэффициент с,, однозначно определяет поведение типа at(x,y) на всей области определения W{x,y). Таким образом, с помощью выражения (2.25) достигается глобальное описание функции. Чем менее гладко ведет себя описываемая функция, тем больший набор базисных функций at(x,y) требуется использовать. Проецирующие узлы оптических систем, как правило, имеют границу в виде круга. Поэтому на практике широко применяется не прямоугольная (х,у), а полярная (р,ср) система координат. Координаты точки в этих системах координат связаны соотношениями: В одномерном случае задача приближения заданной таблицей чисел (,x,,f(x,)),i = 0,N функции f(x)c той или иной точностью на отрезке [а,Ь] действительной оси, является хорошо известной [69—71]. Классическим методом решения является построение интерполяционного многочлена Лагранжа, определяемого равенством: LN (х) = 2 f(x,) w N (х) = Y[ (х - х,). Однако возможности применения подобного подхода на практике весьма ограничены. Существуют гладкие, сколь угодно дифференцируемые функции, для которых на отрезке [-1,1] увеличение узлов интерполяции приводит к росту ошибки: 11т ф3 / \х) Av W . Иногда подобные трудности удается преодолеть путем специального выбора узлов интерполяции или за счет перехода к каким—либо обобщенным многочленам. Полиномы Цернике наиболее предпочтительны в электронной оптике ввиду того, что они представляют классические аберрации: наклоны, дефокусировку, астигматизм, кому и т.д., - и ортогональны на круге/? \,q є[0,2л-]. В выражении (24) коэффициенты полиномов записаны с использованием нумерации по двум индексам. Однако при вычислениях удобнее пользоваться одноиндексной нумерацией. Полиномы Цернике определяются следующим соотношением: «включительно равно (и +1)(« + 2) / 2. Радиальные составляющие/? связаны рекуррентными соотношениями: Определенные таким образом полиномы Цернике ортогональны на единичном круге и нормированы на к: где8у— функция Кронекера, равная единице при і = уи нулю в противномслучае. Система полиномов Цернике в этом случае полна, полиномы за исключением первого (і = 0) центрированы, т.е. их среднее на единичном круге равно нулю:
В разложении функции поверхности (волновой аберрации)с0указывает общее смещение относительно плоскости круга, с, ис2- наклоны по у и х, с3— сферичность ("дефокусировку"), с4и с5— отклонение типа астигматизма, с6и с7- отклонение типа комы третьей степени и так далее.
Полиномы Цернике обладают очень важным, с вычислительной точки зрения, свойством периодичности, благодаря которому при восстановлении выборки значений описываемой функции удается избежать проведения трудоемкого вычисления значений радиальных полиномов, косинусов и синусов кратных углов во всех точках зрачка. Достаточно вычислить их значения в одном октанте зрачка, а в остальных частях зрачка выборка функции деформации волнового фронта формируется из уже вычисленных данных.
Разработка конструкции малогабаритного пикосекундного преобразователя
Внешний вид малогабаритного пикосекундного электронно— оптического преобразователя показан на рисунке 3.6. Он имеет комбинированную металло—стеклянно—керамическую вакуумную оболочку, котораяво входной части снабжена плоским стеклянным входным окном, на котором с внутренней стороны формируется фотокатод.
Внутри оболочки последовательно размещены основные компоненты: ускоряющий электрод, анод и отклоняющая система. Фокусирующий электрод является частью вакуумной оболочки. Люминесцентный экран нанесен непосредственно на плоское волоконно—оптическое выходное окно, которое также является элементом оболочки прибора.В фокусирующий электрод запаяно три металлических штенгеля, через которые осуществляется откачка прибора при его вакуумно—термической обработке и введение во внутренним объем прибора необходимых компонентов для изготовления фотокатода.
Поддержание необходимого давления остаточных газов внутри готового прибора обеспечивается нераспыляемым циалевым геттером, размещенным в заанодном пространстве.Для защиты от засева рассеянными электронами стеклянная часть обо- лочки между анодом и экраном, внутри которой размещается отклоняющая система, металлизирована изнутри.Ускоряющий электрод снабжен тонкой мелкоячеистой сеткой. Толщина сеточного полотна не более 5 мкм, шаг структуры не более 30 мкм. Прозрачность сетки для электронов 40%.В рабочем положении ускоряющий электрод установлен так, что зазор между сеткой и фотокатодом составляет 2 мм. Однако, при изготовлении фотокатода сетка не должна мешать напылению на входное окно материалов проводящей подложки и собственно фотокатода. В разработанных ранее преобразователях ПВ—001 и ПВ—006 используется оригинальное конструктивное решение, при котором сетка закрепляется на подвижном цилиндре, который может поступательно перемещаться внутри цилиндрической части ускоряющего электрода и изначально установлен так, что испарители компонентов фотокатода вводятся внутрь оболочки прибора между подложкой фо токатода и сеткой, а после изготовления фотокатода и извлечения испарителей подвижный цилиндр с сеткой перемещается к фотокатоду и фиксируется на заданном от него расстоянии. Применить описанное выше многократно опробованное решение в новой конструкции оказалось невозможным по следующим причинам.
Во—первых, для получения приемлемой неравномерности чувствительности фотокатода по рабочему полю, неравномерность его толщины должна не превышать определенных значений, а это значит, что напыление сурьмы, при изготовлении многощелочного, или серебра, при изготовлении кислородно—серебряно—цезиевого фотокатодов заданного размера должно производиться с соответствующего расстояния. В новой конструкции, обеспечивающей неравномерность 5% это 32.5 мм, а цилиндрическая часть ускоряющего электрода заканчивается на расстоянии 16 мм от фотокатода. Даже если допустить неравномерность 20%, испаритель должен находиться на расстоянии более 16 мм, то есть уже в пространстве между ускоряющим электродом и анодом.
Во—вторых, внутренний диаметр ускоряющего электрода равен 34 мм, а длина его цилиндрической части всего 14 мм. При таких соотношениях размеров невозможно гарантировать надежное, без закусываний, перемещение одного металлического цилиндра в другом в условиях вакуума, особенно принимая во внимание, что при обезгаживании прибора на откачном посту они подвергаются термической обработке.
Поэтому, имея в виду также возможность последующих разработок с еще более короткими электронно—оптическими системами, создана конструкция, не накладывающая каких—то принципиальных ограничений на соотношение размеров элементов электронно—оптических систем.
Принципиальное отличие новой конструкции заключается в том, что предварительно натянутое на пяльцы сеточное полотно устанавливается в кольцевой оправе, которая не перемещается поступательно, а закреплена на подвижном якоре, который может вращаться вокруг оси, перпендикулярной оси прибора в плоскости аксиальной симметрии электродов электронно— оптической системы, причем ось вращения вынесена за пределы внутренней цилиндрической поверхности ускоряющего электрода.
На рис. 3.7 изображен разрез катодно—сеточного узла в стадии изготовления фотокатода. Сетка откинута на технологическую позицию практически в горизонтальное положение и не препятствует напылению на внутреннюю поверхность входного окна соответствующих полупрозрачных слоев с испарителей, расположенных за пределами ускоряющего электрода (на рисунке не показаны). В данной конкретной конструкции предусмотрено, что введенный через один из штенгелей на свою рабочую позицию испаритель является одновременно ограничителем свободного хода сетки и препятствует ее несанкционированной установке в конечное положение при различных манипуляциях в процессе сборки прибора.
После изготовления фотокатода испаритель извлекается из внутренней полости прибора. Готовый прибор отпаивается с откачного поста и встряхивается, при этом сетка сбрасывается с технологической позиции и ее оправа фиксируется в специальном посадочном месте ускоряющего электрода, как показано на рис. 3.8, при помощи пружинных замков, которые исключают возможность каких—либо последующих перемещений.
Ускоряющий электрод выполнен в виде функционально законченного узла, который помимо собственно электрода с закрепленной в нем подвижной сеткой содержит металлокерамический корпус, являющийся элементом оболочки прибора. Такая конструкция обеспечивает возможность настройки и тестирования механизмов перемещения и фиксации в собранном виде непосредственно перед установкой узла в прибор, что повышает надежность их последующего срабатывания,
Отклоняющая система содержит набор диафрагм и две пары размещенных между ними отклоняющих пластин. Пластины, предназначенные для
Исследование характеристик изготовленных макетов преобразователей
Исследование характеристик электронно—оптического преобразователя производилось как в статическом, так и в динамическом режиме. В статическом режиме проводились измерения чувствительности фотокатода, определялись спектральная область его чувствительности и размеры рабочего поля и поля экрана, а также электронно—оптическое увеличение преобразователя, предельное пространственное разрешение и чувствительность отклоняющих пластин и энергетический коэффициент преобразования. Исследовалось влияние смещения изображения на экране отклоняющими пластинами на пространственное разрешение. В динамическом режиме так же определялись энергетический коэффициент преобразования, пространственное разрешение, а также измерялся диапазон значений плотности энергии излучения на фотокатоде и определялось предельно допустимое значение плотности энергии излучения на нем.
Исследование статических характеристик электронно—оптического преобразователя производилось на измерительном стенде, состоящем из двух основных частей, одна из которых предназначена для измерения спектральных и зонных характеристик чувствительности фотокатодов ЭОП, а другая для определения их электронно—оптических параметров.
В качестве источника света при измерении характеристик фотокатодов на стенде использована светоизмерительная лампа СИ8—200У. Ее питание осуществлялось от стабилизатора напряжения СНП—40, позволявшем регулировать выходное напряжение с точностью 0,005%) при токе нагрузки до 40А. При этом предел допускаемой погрешности, определяемой как дрейф выходного напряжения за 10 минут работы, не превышал 0,01%, а предел дополнительной погрешности при изменении напряжения сети 220В на ±10% был не более не 0,005%. Поскольку спектральный состав излучения лампы существенным образом зависит температуры рабочего тела лампы, определяющий ее ток накала дополнительно непрерывно контролировался амперметром Ml 104 класса точности 0,2.
При измерениях спектральной чувствительности световой поток от лампы линзой переносился на входную щель двойного монохроматора МДР—4. Ширина входной и выходной щелей монохроматора составляла 50 мкм, что обеспечивало на выходе монохроматора спектральную полосу с ПШПВ не более 4нм. Это квазимонохроматичное излучение с помощью оптики переносилось на фотокатод испытуемого ЭОП.
Для питания преобразователя в режиме измерения фототока использовался блок питания Б5—30, обеспечивающий постоянное выходное напряжение 300В. Ток фотокатода регистрировался универсальным вольтметром— электрометром В7—30, способным измерять постоянные токи от Ю-15 до 10 7А.
Между линзой и входной щелью монохроматора устанавливалась заслонка, способная перекрывать световой поток. Поскольку в электронно— оптическом преобразователе существуют токи утечки, обусловленные проработкой межэлектродных изоляторов парами щелочных металлов, измерения тока производились всякий раз дважды - при открытой и закрытой заслонке. При этом фототоком считалась величина, полученная вычитанием результатов двух токовых измерений.
Результаты измерений спектральных характеристик чувствительности фотокатода представлены на рисунке 3.11. Характеристики снимались сразу после отпайки прибора с откачного поста, затем после высоковольтной тренировки электродной системы ЭОП, по завершению проведения испытаний, и, наконец, после вылежки прибора.тельность фотокатода составила 1,6 мА/Вт, что в 4 раза превысило 1 % от ее максимального значения, по которому определяется красная граница фотокатода.
Электронно—оптические характеристики ЭОП исследовались на другой части измерительного стенда, которая была собрана на оптической скамье, на которой размещались коллиматор, контейнер для установки электронно— оптического преобразователя и микроскоп.Коллиматор был собран на основе двух идентичных встречно установленных объективов с высоким пространственным разрешением. Объективы были закреплены в тубусе осветителя с источником типа «А». Тубус имел несколько гнезд, расположенных между лампой и первым объективом, в которых по мере надобности устанавливались светофильтры, миры или полевые диафрагмы. Оптическая схема коллиматора на двух встречно установленных идентичных объективах позволила легко реализовать единичный масштаб переноса изображения миры на фотокатод. Коллиматор имел необходимые поперечные котировочные подвижки и продольную подвижку, позволяющую осуществлять фокусировку изображения тест—объекта, проецируемого на фотокатод электронно—оптического преобразователя, по резкости изображения, получаемого на его экране.
Изображение на экране ЭОП наблюдалось через микроскоп МБС—2 с окулярами увеличением 8х, один из которых был снабжен измерительной шкалой. Увеличение объектива микроскопа имело несколько значений от О.бх до 7х, что позволяло в совокупности с указанными окулярами изменять увеличение системы более чем в 10 раз от 4.8х до 56х. Этого достаточно для визуального наблюдения объектов с характерными размерами, соответствующими пространственным частотам вплоть до 50 мм-1.Электронно—оптическое увеличение исследованного электронно— оптического преобразователя в центре составило 0,97 отн. ед., а геометриче
