СПОСОБ КАЛИБРОВКИ ВРЕМЕННОЙ РАЗВЕРТКИ ХРОНОГРАФИЧЕСКИХ ЭОП-РЕГИСТРАТОРОВ Российский патент 2005 года по МПК H01J31/50 H01J31/60 

Изобретение относится к области электронной техники и может быть использовано для исследования оптических процессов пико- и фемтосекундного диапазона. ЭОП-регистратор содержит электронно-оптический преобразователь - ЭОП.

При исследовании пикосекундных импульсных сигналов с помощью хронографических ЭОП-регистраторов происходит развертывание исследуемого сигнала вдоль временной оси с помощью пилообразных импульсов развертки, длительность которых может быть до Тр~100 пс/экран.

В приведенной в списке литературе употребляются термины: временная развертка, временная ось, пространственная ось, используемые также и заявителем. Для калибровки временной развертки в настоящее время применяются два основных способа. Первый способ [1] заключается в подаче на специальную калибровочную отклоняющую систему гармонических меток времени, период которых должен быть меньше длительности развертки не менее чем в 5-10 раз. В этом случае на экране разворачивается изображение гармонического сигнала (аналогичное осциллографическому), отметки периодов которого используются при калибровке. Изобретение заявителя [1] повышает в 3 раза точность временных измерений по первому способу, однако имеет все ниже перечисляемые недостатки, присущие этому способу. В первую очередь - это необходимость установки в ЭОП специальной калибровочной отклоняющей системы, наличие которой негативно сказывается на основных характеристиках ЭОП, таких как временное и пространственное разрешение по экрану, дисторсия и другие. Кроме того, имеются принципиальные проблемы калибровки самых быстрых разверток. Например, для калибровки развертки длительностью, на экран Тр~200 пс/экран, требуется не менее 5 периодов меток времени частотой Fм=25 ГГц.

В настоящее время не существует отклоняющих систем для отклонения сигнала такой частоты. Кроме того, требуется скорость записи Vз=2·π·Fм·А, где А - амплитуда меток времени (MB), V_З>8·10¹⁰ м/с, что также превышает современный достигнутый уровень, V_З~5 ·10¹⁰ м/с. Не случайно в наиболее быстродействующих ЭОП, таких как Р920 РМЕ (Pilips, Франция), N5716 (Hamamatsu, Япония), ПВ 001 (ВНИИОФИ, Россия), отсутствует калибровочная система и осуществляется оптическая калибровка временной оси.

Известный способ [2] оптической калибровки временной развертки, заключается в том, что участок фотокатода ЭОП засвечивают промодулированным с нужной частотой оптическим излучением лазера. При этом на участке экрана, соответствующем изображению засвеченного участка фотокатода, при развертке образуется последовательность временных отметок в виде вспышек, период которых равен периоду следования коротких импульсов лазерного излучения, как показано на Фиг.1в (верхняя диаграмма). Форма огибающей излучения лазера прототипа Рлаз npoт(t), условно показана такой же, как форма импульсно-модулированного, непрерывного в пределах модулирующего импульса, излучения лазера Рлаз(t) в предлагаемом способе (здесь t - время). Недостатком способа [2] оптической калибровки временной оси является необходимость применения совместно с ЭОП-регистратором дорогостоящего и сложного лазерного оборудования, формирующего пикосекундные оптические импульсы с различным (в зависимости от длительности развертки) периодом Тои. Кроме того, имеются ограничения по регистрации коротких яркостных отметок длительностью tи, соответствующих меткам времени. В [2] приводится соотношение для указанных длительностей: tи<<τ<<Тои<<Тр (*), где τ - временное разрешение ЭОП. Так для Тр=200 пс/экран (временное разрешение τ~1 пс) при Тои~20 пс, длительность одной вспышки tи≤0,5 пс, ширина элемента вдоль временной оси при Vp~1,5·10¹⁰ см/с порядка L≤0,075 мм и светового потока с такого тонкого элемента может быть недостаточно для уверенной регистрации элемента MB. Из эопограммы, приведенной в описании [2] (рис.2, стр.208), следует, что при попытке улучшения видимости калибровочных штрихов, нарушается условие (*), сформулированное в описании способа, а следовательно, ширина штрихов становится соизмеримой с периодом, что существенно, до 50%, повышает погрешность калибровки. Таким образом, применение известных способов калибровки накладывает различные ограничения при калибровке быстрых разверток, а следовательно, снижается точность калибровки временной оси.

Калибровка временной развертки, представленная в [3], осуществляется благодаря использованию временного интервала в 21 пс между двумя короткими лазерными импульсами. Такая калибровка пригодна, в основном, для определения полной длительности развертки и требует установки и юстировки сложной оптической системы.

Известна также система калибровки [4] временной оси рентгеновской ЭОП камеры для специального случая, когда исследуемый цуг рентгеновских импульсов синхронизован с оптическим цугом, формируемым из короткого лазерного импульса. В качестве калибровочной величины используется период видимого на экране цуга изображения рентгеновских импульсов. Из описания следует, что способ [4] может быть использован только в случае, когда источник излучения и ЭОП-камера являются единой установкой для одного номинала развертки и вида исследуемого сигнала.

Наиболее близким техническим решением к данному предложению является известный [2] способ калибровки временной развертки хронографического ЭОП-регистратора, заключающийся в засветке участка фотокатода импульсным лазерным излучением. В способе [2] период следования импульсов таков, чтобы на калибруемой развертке обеспечивалось размещение не менее 10 яркостных меток. Как отмечалось выше, первым недостатком способа [2] являются его сложность, связанная со сложностью используемого лазерного оборудования. Вторым недостатком способа [2] является неудовлетворительная точность калибровки, что связано с высокими требованиями к импульсам меток времени. В способе - прототипе в связи с тем, что число и ширина отметок не соответствуют оптимальным значениям, погрешность калибровки достигает нескольких десятков процентов, о чем уже было сказано выше.

Первым техническим результатом предлагаемого способа является повышение точности калибровки временной развертки хронографических ЭОП-регистраторов. Вторым техническим результатом предлагаемого способа является его простота, связанная с простотой реализации.

Технический результат предлагаемого способа калибровки временной развертки хронографических ЭОП-регистраторов, заключающегося в засветке участка фотокатода импульсным лазерным излучением, достигается тем, что при изготовлении электронно-оптического преобразователя (ЭОП) наносят на внутреннюю поверхность экрана, например в начале пространственной оси, теневую пропускающую или запирающую пучок электронов маску, создающую при развертке вдоль временной оси изображение засвеченных или затемненных временных отметок, число которых в оптимальном случае не менее N=10, одновременно с регистрацией исследуемого сигнала подсвечивают соответствующий участок фотокатода, с которого фотоэлектроны попадают на указанный выше сегмент экрана, излучением полупроводникового лазера, работающего в однократном импульсно-модулированном режиме полупроводникового лазера при уровне мощности от 1 до 10 мВт, при длительности модулирующего импульса в микросекундном диапазоне, одинаковом для всех длительностей разверток (так как длительность этого импульса не имеет принципиального значения и должна быть больше самой длинной развертки), связь временных интервалов с соответствующими калибровочными отметками на экране осуществляется по формулам, в зависимости от способа интерполяции формы напряжения развертки, применимым во всем диапазоне длительностей разверток:

Δt=ΔП/(S ·A) - для линейной зависимости U(t),

Δti=ΔП/(S·A·n·(i/N)^(n-l)) - для степенной зависимости U(t),

Δt_k=ΔП·Δτ/(S·(U((i+1)·Δτ)-U(i·Δτ))) - в общем случае,

где Δt, Δti, Δt_k - временные интервалы, соответствующие калибровочным отметкам для каждой формы зависимости напряжения развертки от времени,

ΔП - геометрическое расстояние между калибровочными отметками, равномерно распределенными на экране вдоль временной оси,

S - чувствительность отклоняющей системы,

А - скорость нарастания отклоняющего напряжения развертки,

i, k - текущие индексы временного интервала между калибровочными отметками,

Δτ - временной интервал между выборками напряжения при измерении его формы,

U(i·Δτ) - значение напряжения развертки в момент времени i·Δτ при измерении его формы.

Что касается размера засвечиваемых или затемняемых временных отметок, то для предлагаемого способа их размер может быть существенно меньше периода между отметками. Так для типичного значения периода между отметками 2-3 мм нанести теневую маску с размерами отверстий 0,2-0,3 мм не представляет технологических проблем. Для уверенной засветки такого элемента хватит даже мощности в 1 мВт, при работе лазера на длине волны, близкой к максимуму спектральной чувствительности фотокатода.

Сущность изобретения заключается в установлении однозначной связи между калибровочными отметками на экране, создаваемыми электронным лучом с засвечиваемого полупроводниковым импульсно-модулированным лазером участка ФК на области экрана, ограниченной теневой маской и соответствующими временными интервалами, которые используются для временной калибровки при обработке эопограммы. Эта связь осуществляется либо по математической формуле (при простейших формах напряжения развертки), либо путем предварительной (на этапе настройки ЭОП-регистратора) оцифровки в дискретных точках напряжения развертки. Сказанное позволяет изменить режим работы лазера, т.е. снизить требования к его излучению, что ведет к упрощению реализации способа и снижению погрешности калибровки.

Ниже представлено описание реализации предлагаемого способа.

На фиг.1 представлены временные диаграммы участвующих в работе сигналов: регистрируемого, импульсного излучения лазера (для прототипа и предлагаемого способа) и развертки.

На фиг.2 показан экран ЭОП с условным изображением нанесенной маски, направление временной и пространственной оси, засвечиваемый участок фотокатода и основные размеры.

На фиг.1а представлен запускающий сигнал Uзaп(t).

На фиг.1б представлен электронный эквивалент регистрируемого оптического процесса, преобразованного в плотность электронного луча на входе отклоняющей системы (ОС) с учетом всех задержек Есиг(1). ОС не участвует в формуле изобретения, поэтому на фиг.2 не представлена.

На фиг.1в - огибающая импульсного излучения лазера Рлаз(t) для предлагаемого способа и Рлаз пpor(t) для прототипа.

На фиг.1 г - напряжение развертки (одна фаза) Upaз(t).

На фиг.1 приняты обозначения:

t₀ - начало отсчета временных интервалов,

tзис - полная задержка исследуемого сигнала на входе в ОС,

t_0,5сиг - ширина на полувысоте (ШПВ) исследуемого сигнала,

tлаз - задержка включения импульсного излучения лазера,

Тлаз - длительность пачки импульсно-модулированного излучения лазера,

tзпр - задержка пуска развертки,

tзлу - задержка линейного (рабочего) участка развертки,

Траз - длительность рабочего участка развертки.

На фиг.2а схематично представлен экран ЭОП с участком калибровки. Маска обозначена позицией 1, схематичное изображение экрана с временными отметками и размерами - 2. Маска создает засвеченные или затемненные временные отметки. На фиг. 2б схематично представлен фрагмент ЭОП-регистратора. Принятые обозначения: лазер 3, участок волоконной линии 4, схематичное изображение фотокатода и засвечиваемого участка 5, засвечиваемый участок фотокатода 6. На фиг.2 использованы буквенные обозначения: ΔПi - расстояние между яркостными отметками, N - число калибровочных интервалов, h_фк и t_фк - длина и ширина фотокатода, Нрп и Lpп - длина и ширина рабочего поля экрана по пространственной и временной осям.

Реализация предлагаемого способа осуществляется следующим образом.

Регистрируемый оптический сигнал запускает соответствующий элемент запуска, который вырабатывает пусковой сигнал (Фиг.1а). Регистрируемый оптический сигнал по системе входной оптики передается также на рабочий участок фотокатода. Фотокатод преобразует оптический сигнал в электронный луч определенной плотности, который, пройдя ускоряющую и фокусирующую ЭОП, достигает входа в ОС (фиг.1б). От пускового импульса с требуемыми задержками запускаются импульсно-модулированный лазер 3 и генератор развертки (на чертеже не представлен), обеспечивая сигналы в соответствии с фиг.1 в и 1 г. Лазер 3, в свою очередь, передает излучение, например, по участку волоконной линии 4 и засвечивает участок 6 фотокатода, отведенный для калибровки, обеспечивая в течение длительности развертки постоянную засветку соответствующего участка экрана, развернутого вдоль временной оси на участке с теневой маской 1 (Фиг.2). На остальной площади экрана (или ее части) происходит временная развертка исследуемого сигнала, в виде модулированной по яркости полосы-эопограммы (7 на фиг.2а). Таким образом, после окончания регистрации сигнала имеется кадр, показанный на фиг.2, на котором находится участок с яркостными отметками (не менее 10) и непосредственно эопограмма исследуемого сигнала, который может быть прокалиброван во временной области с помощью яркостных отметок.

Для пояснения сущности изобретения рассмотрим пример, задав напряжение развертки в виде функции времени U(t).

Пусть U(t) напряжение развертки, которое связано с отклонением на экране как U(t)=П(t)/S (1), где S (мм/В) - чувствительность отклоняющей системы, П(t) – отклонение, М - электронно-оптическое увеличение.

Чувствительность ОС в общем случае частотно-зависимая величина. Однако при наличии широкополосной ОС, верхняя граничная частота fгp по отклонению луча которой существенно выше активной ширины спектра сигнала развертки fa, чувствительность S с достаточной точностью можно считать постоянной величиной, называемой статической чувствительностью. Если величина frp соизмерима с fa, то частотные свойства ОС можно учесть при калибровке напряжения развертки. Тогда считая, что калибровка производится в дискретных точках при наличии N временных интервалов, равномерно расположенных на временной оси с шагом Δt, длина соответствующего интервала составит (при Δt→0): ΔП_i(t)=Δt·S·(dU(t)/dt) (2), где dU(t)/dt - производная сигнала развертки на i -ом временном интервале. Принимаем также длительность развертки на весь экран Tpaзв=N·Δt и при t=Tpaзв, U(t)=Uмaкс.

Рассмотрим простейший случай линейной развертки, что на практике очень часто оказывается допустимым: U(t)=A·t, где А (В/с) - скорость нарастания напряжения развертки. Из формулы (2) получаем искомую связь геометрического расстояния между калибровочными отметками, равномерно распределенными для данного случая по экрану и соответствующие также равномерным интервалами времени Δt: ΔП=Δt·S·A (3), где Δt=Тразв/N.

В этом случае, при наличии нескольких значений длительностей развертки Tpj, для каждой из них калибровка будет заключаться в подстройке для каждой развертки необходимой величины скорости нарастания Aj (из 3):

Aj=ΔП/(S·Δtj) (4).

При наличии линейной и стабильной развертки со скоростями нарастания, определяемыми по формуле (4), временные интервалы, соответствующие временным отметкам для каждой из разверток, определяться простейшим образом как:

где j - номер соответствующей развертки.

Для более сложного случая, когда напряжение развертки (для всех значений Tpaзвj) зависит от времени как:

где n - показатель степенной функции (может быть и дробным), A₁ - калибровочный коэффициент, A₁=Uмакс/Tpⁿ (Uмакс - значение напряжения развертки при t=Tp) и А₁=A/Тр^(n-1), где А - лианеризованная скорость нарастания A=Uмакс/Tp, (В/с). Тогда из формулы (2), подставляя производную функции (6), получим значение длины между отметками, соответствующей i временному отрезку, для j-того номинала развертки:

где ti=i·Δtj, a Δtj определяется по формуле (5), i=1...N - номер соответствующего временного интервала, а

(В/с) - скорость нарастания для каждой развертки, аналогичная линейному случаю, которая должна быть обеспечена при настройке. Таким образом, видно, что в данном случае для каждой развертки при равномерных временных интервалах Δtj, длина отрезков между калибровочными точками получается неравномерной и определяется по формуле (7). Если же необходимо, как в первом случае, получить равномерную геометрическую шкалу, то из формулы (7) получаем (опуская индекс j для каждой развертки) значение очередного временного интервала, соответствующего фиксированной длине интервала между калибровочными отметками ΔП:

Таким образом, формулы (5) и (9) определят в двух рассмотренных вариантах временной зависимости U(t), связь временных интервалов с соответствующими калибровочными отметками на экране, при этом скорости нарастания Aj определяются для каждого номинала развертки соответственно по формулам (4) и (8).

В общем случае, если для каждого номинала развертки форма сигнала развертки разная и не описывается описанным выше образом, предлагаемый способ калибровки работает следующим образом.

Для каждого номинала развертки, при настройке блока развертки, производится высокоточное измерение формы рабочего участка развертки на М временных интервалах, равномерно расположенных на рабочем участке развертки. Данное измерение может быть выполнено один раз при изготовлении блока разверток при условии обеспечения последующей стабильности форм и параметров сигналов развертки. Это измерение может быть осуществлено, например, с помощью высокоточного аналого-цифрового или цифрового осциллографа с погрешностью ~1-2%. Для учета искажений формы напряжения развертки, вследствие наличия частотной зависимости чувствительности ОС, состоящей из "холодной" (АЧХ ОС как четырехполюсника) и "горячей" (эффекты частотной зависимости отклонения) компонент, при калибровке, напряжение развертки подается на вход аналого-цифрового осциллографа через "холодную" отклоняющую систему ЭОП. При этом форма отклоняющего напряжения будет скорректирована с учетом динамической характеристики "холодной" ОС. "Горячая" компонента может быть учтена при использования выражения для АЧХ с учетом пролетного эффекта (это выражение приведено, например в [5]), для свертки импульсной характеристики (ИХ), определяемой влиянием пролетного эффекта, с напряжением развертки:

U_kor(t)=U(t-τ)·g(τ), где

g(τ)=Ψ(|A(ω)| ·e^jϕ(ω)),

g(t) - ИХ ОС вследствие пролетного эффекта,

U(t) - напряжение развертки при измерении,

U_kor(t) - напряжение развертки с учетом пролетного эффекта,,

А(ω) и ϕ(ω) - АЧХ и ФЧХ ОС, определяемые пролетным эффектом,

ψ - обратное преобразование Фурье

* - символ свертки.

После проведения измерений и коррекции вида U(t) для каждого номинала развертки Tj, с шагом Δτ=Tj/M, будут иметься (М+1) значений выборок напряжения развертки: U(iΔτ), i=1...(M+1). Принимая равномерную геометрическую шкалу калибровочных отметок с шагом: ΔП=Lрп/М, где Lpп - длина рабочего поля по временной оси, получаем из ф-лы (2) для каждого номинала развертки:

где k=1...N - номер получаемого временного интервала; i=1...(М+1) - номер выборки при предварительном измерении формы рабочего участка развертки, причем N=M.

Таким образом, формула (10) позволяет по аналогии с формулами (5) и (9) осуществить в общем случае, для каждого номинала развертки (индекс номера развертки для упрощения в формуле (10) опущен), высокоточную связь временных интервалов с соответствующими калибровочными отметками на экране. Это и позволяет применять предлагаемый способ калибровки временной оси при исследовании пикосекундных импульсных сигналов с помощью хронографических ЭОП-регистраторов, имея для всех номиналов развертки геометрически равномерную высокоточную шкалу, имеющую не менее 10 точек вдоль временной оси, что повышает точность калибровки временной оси для всех номиналов развертки.

Практически это может быть реализовано занесением в ПМО ЭОП-регистратора, для каждого номинала развертки, значений указанных временных интервалов, для последующего вычисления требуемых временных значений на эопограмме исследуемого сигнала. Эти значения могут, при необходимости, поверяться в течение срока службы ЭОП-регистратора.

Из описания следует, что реализация описанного способа подсветки не требует сложной и дорогостоящей лазерной установки, которая используется в прототипе, что подтверждает достижение первого технического результата.

Так как для всех номиналов развертки имеется не менее 10 четких и стабильных меток времени, погрешность временной калибровки по аналогии с осциллографией не превысит нескольких процентов [6]. В способе - прототипе, в связи с тем, что число и ширина отметок не соответствуют оптимальным значениям, эта погрешность достигает нескольких десятков процентов, что следует, например, из формул для погрешности калибровки, приведенной в [1].

ЛИТЕРАТУРА

[1]. Патент РФ №1817613 от 07.05.1997 г. “Времяанализирующее устройство для регистрации быстропротекающих процессов”.

[2]. О.М.Брехов и др. “Калибровка временных разверток фотохронографа "Агат". Ж. ПТЭ №6, 1981 г.

[3]. А.М.Прохоров и др. “Коммутатор на GaAs для управления электронно-оптической камерой”. Ж. ПТЭ №5, 1987 г.

[4]. US Patent №4714825 от 22.12.1987, “System for calibrating the time axis of an X-Ray Streak Tube."

[5]. B.A.Шкунов, Г.И.Семенник. “Широкополосные осциллографические трубки и их применение”. Энергия, 1976 г.

[6]. А.И.Найденов, B.A.Новопольский. “Электронно-лучевые осциллографы”, М.: Энергатомиздат, 1983 г., стр.205.

Исследование оптических процессов пико- и фемтосекундного диапазона. Технический результат: повышение точности калибровки временной развертки хронографических ЭОП-регистраторов. Сущность: установление однозначной связи между калибровочными отметками на экране, создаваемыми электронным лучом с засвечиваемого полупроводниковым импульсно-модулированным лазером участка ФК на области экрана, ограниченной теневой маской и соответствующими временными интервалами, которые используются для временной калибровки при обработке эопограммы. Эта связь осуществляется либо по математической формуле (при простейших формах напряжения развертки), либо путем предварительной (на этапе настройки ЭОП-регистратора) оцифровки в дискретных точках напряжения развертки. Сказанное позволяет изменить режим работы лазера, т.е. снизить требования к его излучению, что ведет к упрощению реализации способа и снижению погрешности калибровки. 2 ил.

Способ калибровки временной развертки хронографических ЭОП-регистраторов, заключающийся в засветке участка фотокатода ЭОП импульсным лазерным излучением, отличающийся тем, что при изготовлении электронно-оптического преобразователя (ЭОП) наносят на внутреннюю поверхность экрана теневую пропускающую или запирающую пучок электронов маску, создающую при развертке вдоль временной оси изображение засвеченных или затемненных временных отметок, число которых не менее N=10, одновременно с регистрацией исследуемого сигнала участок фотокатода, с которого фотоэлектроны попадают на указанный выше сегмент экрана, подсвечивают лазером, подсветка осуществляется в однократном импульсно-модулированном режиме полупроводникового лазера при уровне мощности от 1 до 10 мВт, при длительности модулирующего импульса в микросекундном диапазоне, одинаковом для всех длительностей разверток, связь временных интервалов с соответствующими калибровочными отметками на экране осуществляется по формулам в зависимости от способа интерполяции формы напряжения развертки, применимым во всем диапазоне длительностей разверток:

Δt=ΔП/(S·А),

Δt_i=ΔП/(S·A·n·(i/N)^(n-1)),

Δt_k=ΔП·Δτ/(S·(U((i+1)·Δτ)-U(i·Δτ))),

где Δt, Δt_i, Δt_k - временные интервалы, соответствующие калибровочным отметкам для каждой формы зависимости напряжения развертки от времени;

ΔП - геометрическое расстояние между калибровочными отметками, равномерно распределенными на экране вдоль временной оси;

S - чувствительность отклоняющей системы;

А - скорость нарастания отклоняющего напряжения развертки;

i, k - текущие индексы временного интервала между калибровочными отметками;

Δτ - временной интервал между выборками напряжения при измерении его формы:

U(i·Δτ) - значение напряжения развертки в момент времени i·Δτ при измерении его формы.