ХРОНОГРАФИЧЕСКИЙ ЭО-РЕГИСТРАТОР С КАЛИБРОВКОЙ ВРЕМЕННОЙ РАЗВЕРТКИ Российский патент 2006 года по МПК H01J31/50 

Предлагаемое изобретение относится к области электронной техники и может быть использовано для исследования оптических процессов пико- и фемтосекундного диапазона.

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

В приведенной литературе употребляются термины: электронно-оптический (ЭО) регистратор, это регистратор, содержащий электронно-оптический преобразователь (ЭОП); электронно-оптический модулятор (ЭОМ); генератор калибровочных меток времени (КМВ); 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, однако имеет все ниже перечисляемые недостатки. 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 4-5 периодов меток времени частотой Fм=25 ГГц. В настоящее время не существует отклоняющих систем для отклонения сигнала такой частоты. Не случайно в наиболее быстродействующих ЭОП, таких как Р920 РМЕ (Philips, 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 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.

Недостатком способа и устройства [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. В установку, реализующую способ, входит импульсный лазер на неодимовом стекле, синхронизация мод которого осуществляется нелинейно поглощающим раствором красителя №3274У. Кювета с красителем должна располагаться строго определенным образом относительно стержня лазера, для получения эффекта тонкой временной структуры импульсов, использованного в [2].

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/сек порядка L≤0,075 мм, и светового потока с такого тонкого элемента может быть недостаточно для уверенной регистрации элемента меток времени. Из эопограммы, приведенной в (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 нескольких десятков процентов, повышает погрешность калибровки.

Таким образом, применение известных технических решений 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. Здесь же приведена блок-схема установки с твердотельным лазером для описанного способа временной калибровки.

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 решение [4] может быть использовано только в случае, когда источник излучения и ЭОП-камера являются единой установкой для одного номинала развертки и вида исследуемого сигнала.

Известен способ калибровки временной развертки [5] хронографических ЭО-регистраторов, предложенный заявителем.

Наиболее близким техническим решением к данному предложению является хронографический ЭО-регистратор [2], содержащий ЭОП, фотокатод которого через оптическую линию задержки и разветвитель соединен с информационным оптическим входом регистратора, парафазный генератор разверток, выходы которого соединены с отклоняющими пластинами ЭОП, блок управления, первый выход которого соединен с управляющим входом лазера, второй выход разветвителя через пусковой фотодетектор соединен с управляющим входом блока управления, второй выход которого соединен с управляющим входом генератора разверток. Как отмечалось выше, первым недостатком устройства [2] является его сложность, связанная со сложностью используемого лазерного оборудования. Вторым недостатком устройства [2] является неудовлетворительная точность калибровки, что связано с невыполнением условия (*) для 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 устройства является повышение точности калибровки временной развертки хронографических ЭОП-регистраторов. Вторым техническим результатом предлагаемого устройства является его простота, связанная с простотой реализации оптических калибровочных меток.

Технический результат в хронографическом ЭО-регистраторе, содержащем ЭОП, фотокатод которого через оптическую линию задержки и разветвитель соединен с информационным оптическим входом регистратора, парафазный генератор разверток, выходы которого соединены с отклоняющими пластинами ЭОП, блок управления, первый выход которого соединен с управляющим входом лазера, второй выход - с управляющим входом генератора разверток, второй выход разветвителя через пусковой фотодетектор соединен с входом блока управления, достигается тем, что в ЭО-регистратор введены электронно-оптический модулятор (ЭОМ), оптический вход которого связан с лазером, выход - с фотокатодом ЭОП, генератор калибровочных меток, информационный выход которого через коаксиальный переключатель соединен с первым управляющим входом ЭОМ, второй управляющий вход которого соединен с третьим выходом БУ, четвертый, пятый и шестой выходы БУ соединены соответственно с управляющими входами коаксиального переключателя, генератора калибровочных меток и генератора разверток.

Существо предлагаемого изобретения заключается в том, что в предлагаемом ЭО-регистраторе, собственно в ЭОП, отсутствуют дополнительные элементы, характерные для [1] и [5], снижающие характеристики собственно ЭОП. В то же время реализована калибровка оптическим сигналом, как и в [2], в том же тракте, где проходит информационный сигнал, что повышает точность калибровки. Точность калибровки повышается также формированием калибровочного сигнала в ЭОМ, параметры которого удовлетворяют условию (*), что достигается выбором режима ЭОМ. Простота получения оптического сигнала, модулированного сигналом калибровочных меток, является следующим достоинством устройства.

На фиг.1 показана структурная схема предлагаемого устройства.

На фиг.2 показаны временные диаграммы его работы.

На фиг.3 показан условный вид эопограммы с метками времени.

Принятые обозначения: оптический разветвитель 1, пусковой фотодетектор 2, полупроводниковый лазер 3, электрооптический модулятор (ЭОМ) 4, электронно-оптический преобразователь (ЭОП) 5, оптическая линия задержки 6, генератор парафазного напряжения разверток 7, блок запуска и управления 8, генератор калибровочных меток времени 9, широкополосный коаксиальный переключатель 10.

На фигуре 2 показаны сигналы: пусковой - фиг.2а, исследуемый - фиг.2б, сигнал на выходе полупроводникового лазера - фиг.2в, оптический калибровочный сигнал с выхода ЭОМ - фиг.2г и одна фаза напряжения развертки - фиг.2д.

ЭО-регистратор содержит электронные и оптические узлы и, соответственно, электрические и оптические связи. Оптические связи имеют в обозначении стрелку в кружке.

Связи, показанные широкой стрелкой на фигуре 1, следующие. Регистрируемый оптический сигнал, имеющий как временную, так и пространственную структуру. Электрические управляющие сигналы, содержащие цифровую информацию:

- сигнал с выхода блока управления 8 на блок развертки 7 служит для выбора номинала развертки,

- сигнал с выхода блока управления на управляющий вход коаксиального переключателя служит для выбора номинала КМВ.

Как коаксиальные (высокочастотные) показаны цепи передачи аналоговых импульсных электрических сигналов: пусковой сигнал с фотодетектора на блок управления, управляющие импульсные сигналы с блока управления, подаваемые на полупроводниковый лазер и на блок развертки, цепи подачи парафазных импульсов развертки, подаваемых на отклоняющие пластины ЭОП, высокочастотный гармонический сигнал с генератора калибровочных меток времени, подаваемый на высокочастотный вход ЭОМ через коаксиальный переключатель. Кроме того, обычными стрелками показаны: квазипостоянный уровень, подаваемый на управляющий вход ЭОМ, и сигнал с блока управления, выбирающий нужный номинал частоты меток времени в блоке генераторов.

В хронографическом ЭО-регистраторе применены следующие основные блоки и элементы. Электронно-оптический преобразователь 5 типа СПО20М (спектральный диапазон от 360 до 1100 нм) - разработка заявителя. Электронно-оптический модулятор 4 интенсивности оптического сигнала фирмы Laser 2000, рабочая длина волны 1064 нм или 1310 нм, диапазон рабочих частот по модулирующему сигналу от 0 до 40 ГГц по уровню минус 3 дБ. Коаксиальный переключатель 10 - SPDT (два входа, один выход) модели 468.342.013 с разъемами типа К (2,4) по ГОСТ 13317-89 выпускается в России, в НИПИ "Кварц" и имеет диапазон рабочих частот от 0 до 40 ГГц. Оптический волоконный тракт построен на основе типовых волоконных одномодовых оптических кабелей, оконцованных оптическими разъемами типа FC. Из этого же кабеля выполнена оптическая линия задержки 6, длина оптического кабеля в которой и определит требуемую задержку. Полупроводниковый лазер 3 на длину волны, соответствующую рабочей длине волны ЭОМ, производства НИИ "Полюс" (Москва). В ЭО-регистраторе целесообразно использовать лазерные модули с волоконной брэгговской решеткой FBG типа. Эти модули работают в одномодовом режиме и допускают импульсную модуляцию.

Таблица 1Тип модуляПОМ-21ПОМ-22ПОМ-23Длина волны излучения, нм106013001550

В предлагаемом устройстве использован оптический разветвитель 1 типа FBT Single Mode Coupler фирмы Laser 2000.

Пусковой фотодетектор на диапазон рабочих длин волн ЭО-регистратора - состоит из фотодиода типа ДФДМ-70 производства НИИ "Полюс" и усилителя типа GаLi3 (усиление 22 дБ, полоса рабочих частот 0-3 ГГц) фирмы MiniCircuits, включаемого для повышения амплитуды пускового сигнала фотодиода.

Блок запуска 8 представляет собой электронный блок, вырабатывающий при запуске от пускового фотодетектора импульсные и квазипостоянные сигналы, показанные на фиг.2. Блок управления выполнен по известным техническим решениям с использованием методов формальной логики.

Генератор 9 калибровочных меток времени вырабатывает при поступлении на его вход импульса "пачку" гармонического сигнала с частотой, обеспечивающей калибровку определенного номинала развертки. Мощность генерируемых сигналов должна соответствовать требуемой мощности на входе модуляции ЭОМ. Например, в примере (табл.1) использован генератор КМВ с частотами 10, 20, 25, 40 ГГц. Мощность генератора на нагрузке 50 Ом должна быть для ЭОМ фирмы Laser 2000 порядка 0,5-1 Вт. Генераторы с подобными параметрами выпускаются, например, фирмой Hewlett Packard типа DRT-XXXX, в зависимости от модификации.

Генератор разверток 7, известный из литературы и изготавливаемый заявителем, обеспечивает выдачу по импульсу с блока управления парафазных импульсных сигналов с линейным фронтом, длительность которых соответствует требуемым номиналам развертки, а амплитуда такова, чтобы на отклоняющих пластинах с чувствительностью S˜0.02-0.04 мм/В обеспечить полное отклонения электронного луча на весь экран Р˜30 мм (собственно произвести развертку луча). Uфазы=Р/2·8=±500 В на экран.

Число номиналов меток времени соответствует числу калибруемых номиналов развертки, число коаксиальных переключателей SPDT, тип которых приводится ниже, определяется схемой их включения (например, лестничной).

Предлагаемый ЭО-регистратор работает следующим образом. Входной оптический сигнал, показанный на фиг.2б, разветвляется в оптическом разветвителе 1, его меньшая часть попадает на фотодетектор 2, вырабатывающий пусковой сигнал, показанный на фиг.2а. Большая часть входного оптического сигнала через оптическую линию задержки 6 попадает на участок фотокатода ЭОП 5, где и происходит электронно-оптическое преобразование мощности входного регистрируемого сигнала в плотность электронного луча. Величина оптической задержки равна времени срабатывания пусковых устройств развертки и пролета электронов до системы развертки ЭОП 5, на которую подается парафазное напряжение с генератора разверток 7. Соотношение временного положения оптического импульса, преобразованного в плотность электронного луча, и одной фазы напряжения развертки показано на фигуре 2б и 2г. Пусковой сигнал - фиг.2а с фотодетектора 2 подается на блок управления 8, вырабатывающий пусковые импульсы с соответствующими задержками для пуска генератора КМВ 9, подачи квазипостоянного уровня напряжения смещения на ЭОМ 4 и пуска требуемого номинала развертки. Блок управления 8 вырабатывает также управляющие сигналы для широкополосного коаксиального переключателя 10 таким образом, чтобы сигнал генератора меток времени подавался на вход модуляции ЭОМ. На управляющий вход ЭОМ подается квазипостоянный уровень напряжения, требующийся для формирования совместно с гармоническим сигналом заданной частоты оптического калибровочного сигнала вида, показанного на фиг.2г. Оптический калибровочный сигнал с выхода ЭОМ по отрезку волоконной линии, служащей линией задержки, подается на участок фотокатода, изображение которого на экране и будет нести информацию о периоде КМВ вместе с исследуемым оптическим сигналом. Эта информация позволит прокалибровать во временной области развернутый вдоль временной оси регистрируемый сигнал.

Основные соотношения для приведенных сигналов следующие:

tз.калибр.>tз.уст.лаз; tзлу>tз.калибр; tзис>tзлу; Ткалибр.≫Тразв., Тразв˜10·Ткмв, τ˜(0,1-0,2)· Ткалибр (1), где

tз.уст.лаз - задержка установления плоской вершины излучения лазера,

tз.калибр - задержка подачи электрических сигналов на вход ЭОМ,

tзлу - задержка линейного участка напряжения развертки на входе отклоняющей системы,

tзис - полная задержка исследуемого сигнала на входе в отклоняющую систему.

Ткалибр- длительность калибровочного сигнала,

Тразв. - длительность линейного участка развертки,

Ткмв - период калибровочного сигнала,

τ - длительность "вспышки" калибровочного сигнала. Соотношение (1) τ˜(0,1-0,2)·Ткалибр достигается выбором амплитуд сигналов на входе ЭОМ-гармонического сигнала с ГКМВ и квазипостоянного уровня напряжения "подсвета", подаваемого с блока управления.

Все задержки отсчитываются от момента времени t₀.

В таблице 2 приведены типичные значения длительности развертки на экран (4 номинала) - Т_р; числа периодов меток времени на экран - N_p; периода меток - Т_меток; частоты меток - F_меток.

Таблица 2Тр пс/экран1000500200100N_p101054Т_{меток, пс}100504025F_меток, ГГц10202540

Как видно из таблицы, даже на самой быстрой развертке обеспечивается не менее 4 периодов или 8 полупериодов меток времени на экран и частота меток времени до 40 ГГц, обеспечивается применяемыми СВЧ и оптическим узлами. Так, оптический модулятор фирмы Лазер 2000 имеет рабочий диапазон частот согласно приведенному на сайте фирмы графику полосы рабочих частот до 40 ГГц. Другой критический элемент- коаксиальный переключатель SPDT типа, модели 468.342.013 с разъемами типа К (2,4) по ГОСТ 13317-89 выпускается в России, в НИПИ "Кварц" и имеет диапазон рабочих частот от 0 до 40 ГГц. Оптический волоконный тракт построен на основе типовых волоконных одномодовых оптических кабелей, оконцованных соответствующими оптическими разъемами типа FC.

На фиг.3 условно показан экран ЭОП с изображением фотокатода, развернутого вдоль временной оси с помощью временной развертки и пространственной оси по высоте фотокатода с учетом коэффициента увеличения на экране. На краю изображения расположено изображение области фотокатода, на которую подается калибровочный оптический сигнал (показано пунктирной линией). Показанное условно, затемненное поле содержит при регистрации информацию об исследуемом сигнале со всей полезной площади фотокатода, развернутом с помощью временной развертки вдоль временной оси.

Точность временной калибровки в предлагаемом ЭО-регистраторе по сравнению с прототипом повышается примерно в 5 раз. Достигается это тем, что в ЭО-регистраторе реализован оптимальный вид меток времени, за счет выбора режима работы ЭОМ - оптимальная длительность меток времени составила не более 0,1-0,2 периода меток.

Простота устройства достигается отсутствием мощного твердотельного лазера, кювет с красителем, расположенным прецизионно относительно стержня лазера, и других элементов тракта калибровки известного технического решения, требующего также обвески в виде мощных и громоздких блоков питания, зеркал и т.п.

ЛИТЕРАТУРА

1. Патент РФ №1817613 от 07.05.97 г., H 01 J 31/50.

2. О.М.Брехов и др. Калибровка временных разверток фотохронографа "Агат". Ж. ПТЭ №6, 1981 г., стр.207-209 (прототип).

3. А.М.Прохоров и др. Коммутатор на GaAs для управления электронно-оптической камерой. Ж. ПТЭ №5, 1987 г., стр.159-162.

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

5. Способ калибровки временной развертки хронографических ЭОП-регистраторов. Заявка на предлагаемое изобретение №2003117502 от 17.06.2003.

Изобретение относится к электронной технике. Технический результат - повышение точности калибровки временной развертки хронографических электронно-оптических (ЭО) регистраторов при обеспечении простоты реализации калибровки. В ЭО-регистратор введены электронно-оптический модулятор (ЭОМ), оптический вход которого связан с лазером, выход - с фотокатодом ЭОП, генератор калибровочных меток времени, информационный выход которого через коаксиальный переключатель соединен с первым управляющим входом ЭОМ, второй управляющий вход которого соединен с третьим выходом блока управления (БУ), четвертый, пятый и шестой выходы БУ соединены соответственно с управляющими входами коаксиального переключателя, генератора калибровочных меток времени и генератора разверток. 3 ил., 2 табл.

Хронографический ЭО-регистратор с калибровкой временной развертки, содержащий электронно-оптический преобразователь (ЭОП), фотокатод которого через оптический элемент задержки и разветвитель соединен с информационным оптическим входом ЭО-регистратора, парафазный генератор разверток, выходы которого соединены с отклоняющими пластинами ЭОП, блок управления, первый выход которого соединен с управляющим входом лазера, второй выход - с управляющим входом генератора разверток, второй выход разветвителя через пусковой фотодетектор соединен с пусковым входом блока управления, отличающийся тем, что в ЭО-регистратор введены электронно-оптический модулятор (ЭОМ), оптический вход которого связан с лазером, выход - с фотокатодом ЭОП, генератор калибровочных меток времени, информационный выход которого через коаксиальный переключатель соединен с первым управляющим входом ЭОМ, второй управляющий вход которого соединен с третьим выходом БУ, четвертый, пятый и шестой выходы БУ соединены соответственно с управляющими входами коаксиального переключателя, генератора калибровочных меток времени и генератора разверток.