СПЕКТРОТРОН Советский патент 1966 года по МПК H03K19/14 

Известны спектротроны, содержащие четырехполюсник с гребенчатой амплитудпо-частотпой характеристикой, охваченные петлей обратной связи.

Предложенный спектротрон отличается тем, что в нем в качестве четырехполюсника использован интерферометр Фабри-Перо, облучаемый от источника когерентных монохроматических колебаний света с линейчатым спектром и связанный оптически с фотосопротивлением, которое включено последовательно с постоянным сопротивлением нагрузки, а цепь обратной связи образуется соединением его с электродами интерферометра.

Это увеличивает число устойчивых состояний равновесия при работе прибора в оптической области частот.

На фиг. 1 представлен предлагаемый спектротрон; на фиг. 2 - немонотонная амплитудно-частотная порядковая характеристика интерферометра Фабри-Перо и характеристика его настройки, как функции управляющего напряжения.

Спектротрон светового диапазона состоит из интерферометра-пластинки Фабри-Перо, фотосопротивлепия и пленочного сопротивления нагрузки.

риала с нанесенными на нее тонкими многослойными диэлектрическими покрытиями 2 и нанесенными снаружи слоями .5 металла, полупрозрачными вследствие своей малой толщины.

Оптически полупрозрачные металлические слои 3 являются электродами, между которыми в диэлектрической среде пластинки образуется однородное электрическое поле. Токосъемниками тонких металлических слоев являются металлические кольцевые онтически непрозрачные электроды: наружный 4 и внутренний 5. Внутренний электрод, кроме того, служит токосъемом для одного из концов фотосопротивления 6, выполненного в форме тонкого диска с отверстием 7 в центре. Центральной части фотосопротивления 6 (см. фиг. 1) касается кольцевой электрод S, являющийся вторым отводом фотосопротивления. Отверстие в электроде 8 совпадает с отверстием 7 в фотосопротивлеиии и пропускает на выход прибора световой поток, прощедщий при определенных условиях через пластинку Фабри- Перо.

Пленочное сопротивление 9 нагрузки представляет собой тонкое покрытие, нанесенное на боковую грань круглой диэлектрической пластины, причем выводами этого сопротивления служат те же электроды 4 и 5. Для преной части фотосопротивления 6 нанесено изолирующее покрытие 10. Вся копструкция может быть заключена в вакуумнЕ 1Й баллоп, например стеклянный, прозрачный для светового потока.

Немонотонная амплитудно-частотно-порядковая характеристика 11 интерферометра Фабри-Перо (см. фиг. 2), выполняющего функции перестраиваемого колебатель 1ого контура, и характеристика 12, выражающая зависимость настройки интерферометра в функции от управляющего напряжения, действующего между электродами и 5 а также пересечения графиков, обозначенные точками, отобрал ают области (вблизи точек) устойчивого равновесия фотоснектротрона.

Упрощенная блок-схема радиочастотного спектротрона содержит резонансный контур, собственная частота которого автоматически перестраивается с помощью управления в некотором диапазоне, и связанный с ними детектор -с интегрирующим звеном. Причем напряжение, образующееся па выходе интегрирующего звена, подводится к управителю резонансного контура, влияя на настройку последнего.

Если к колебательному контуру извне приложить перемепное напряжение, частота которого лежит в диапазоне перестройки контура, то контур автоматически настраивается приблизительно на эту частоту подводимого сигнала. При этом спектротрон находится в устойчивом состоянии равновесия.

Если к колебательному контуру приложить несколько сигналов с разными частотами (линейчатый спектр), разность меледу которыми для любых двух соседних линий спектра превыщает полосу пропускания резонансного контура, то спектротрон молсет быть настроен на любую из этих частот, и состояние его при этом всякий раз будет устойчивым. Поэтому число устойчивых состояний радиочастотного спектротрона равно числу линий спектра в составе подаваемого на его контур сигнала, вырабатываемого сторонним источником спектра, общим для совокупности спектротронов, используемых в системе (например, в запоминающем устройстве или накопительном счетчике импульсов).

Предлагаемое устройство содержит все основные элементы радиочастотного спектротрона. Функции колебательного контура выполняет в нем интерферометр Фабри-Перо, вместо индикаторного элемента на детекторе использовапо фоточувствительпое сопротивление 6; интегрирующее звено представлено комбинацией из фотосопротивления 6, сопротивления 9 нагрузки и емкости конденсатора, образованного полупрозрачными металлическими пластинами 3 (слоями интерферометра). Причем «интерференционный колебательный контур перестраивается в сиектротрон светового диапазона изменением показателя преломления диэлектрической среды пластинки под действием управляющего электрического

поля. Последнее образуется вследствие падения напрял ения на сонротивлении 9 нагрузки, находящемся в последовательной цепи с фотосопротивлением 6 и источником ностоянного напряжения UQ питания спектротрона светового диапазона.

Рабочая поверхность спектротрона освещается нормально падающим параллельным потоком когерентных монохроматических излучений, создаваемых сторонним источником и

представляющих линейчатый спектр в онтической области частот. Входной световой поток

указан на фиг. 1 стрелками.

Принципиальным отличием спектротрона

светового диапазона от радиочастотного, как многоустойчивого элемента, является то, что число устойчивых состояний равновесия у него в общем случае значительно больше числа линий снектра (спектральных составляющих),

воздействующего на его выход светового потока.

Предлагаемый снектротрон от радиочастотного отличается так л;е тем, что в нем использован новый способ селекции состояний (онределенного условного номера состояния устойчивого равновесия, в котором находится спектротроп светового диапазона к какомулибо моменту времени), что существенно упрощает систему индикации состояний спектротрона, нанример, при применении цифровых табло в цифровых вычислительных машинах с десятичной системой счисления.

Достоинством спектротрона светового диапазона являются его малые габаритные размеры и вес, что позволяет объединять элементы в матрицы (пластины из набора однотипных фотоспектротронов), рабочая поверхность которых освещается одним общим источником спектра. Заиомипающие устройства на основе

таких матриц весьма компактны.

Пспользование оптического спектра частот резко повышает быстродействие прибора, практически оцениваемое величиной Ю гц что способствует увеличению технической эффективности цифровых вычислительиых мащип.

Простота конструкции, механическая жесткость и малые размеры устройства определяют надежность и большой срок службы предлагаемого прибора.

В основу работы устройства положена система автоматического регулирования, одним из основных элементов которой является оптический «интерференционный колебательный

контур, представленный интерферометром Фабри-Перо, обладающий способностью перестраиваться в пределах некоторого диапазона частот благодаря воздействию электрического поля на показатель нрело1мления пластинки 1,

выполненной из ньезосегпетооптического материала, нанример из монокристалла кварца, титаната бария и т. д. (всего 20 классов кристаллов). Электрическое поле в пластинке / создаетоптически полупрозрачным металлическим покрытиям 3 через кольцевые оптически пепрозрачпые контакты 4 и 5, причем это иапряжение падает в сопротивлении нагрузки 9. Величина этого напряжения, а следовательно, п настройка иптерферометра определяется интегральной освещенностью фотосопротивления 6, иоскольку сонрогивление нагрузки 9 и фотосонротивлепие 6 подключены последовательно к источппку ПОСТОЯ1ПЮГО напряжепия. Напряжение между покрытиями 5, а следовательно, и величина напряЛСенности электрического поля в пластинке, тем больше, чем больше интегральиая освещенность фотосоиротивлепия 6, то есть чем меньше величина фотосопротивлеиия. Изменение иоказателя преломленпя пьезосегнетоэлектрических материалов при изменении напряженности электрического иоля, воздействующего па них, известно и широко иснользуется в электроонтических модуляторах света. При приложеппи к интерферометру управляющего иаиряжепия он используется но новому назначенпю как перестраиваемый в достаточно широких пределах «иптерференционный колебательный контур с очень высокой эквивалентной добро ностью, практически достигающей величины до 8 миллионов. Рассмотри.м сначала работу спектротрона светового диапазона при об.тучении его световым потоком, представляющим когерентное монохроматическое :олебание одной частоты, характеризуемой волновым числом v, связанным с длиной волны выражением / -Y( «Интерференционный колебательный контур считается настроенным «в резонанс, т. е. обладает максимальной прозрачностью для иадающего и проходящего через него светового потока, при условии выполпения целочисленности порядка Р интерфереиции в слое пластиик интерферометра, т. е. P 2 --n-d m, п - показатель преломлеиия пластинки /, d - толщииа пластинки /. ,2,3,... пелое число; Порядок Р интерференции указывает, какое число длнп волн л укладывается в промежутке между отражающими покрытнямп 2, т. е. в то.нднне d нласти ки. Таким образом, яркость светового потока на выходе иптерферометра максимальна при выполненни условия (2) и минимальна при соблюдении условия (3) Р 2.-nd ±1 2 спосооами, то есть ири разш-х порядках интерференции Р, для которых соблюдается условие целочисленности (2). Это отличает интерференпиопный колебательный контур от радиочастотного и открывает дополнительные возможности для дальнейшего резкого увеличения числа устойчивых состояний равиовесия у спектротрона светового диапазона по сравнению с радиочастотным спектротроном, если в иих использовано одинаковое число липни спектра. Число порядков иитерференции. для которых выиолняется условие (2), определяется возлюжностями изменения иоказателя преломления п диэлектрической среды пластинки в соответствии с имеющейся зависимостью между величиной показателя преломления и напряженностью электрического поля Е в диэлектрикеп /(0) - (а) - (4) где Е(о)-диэлектрическая ироиицаемость материала для рассматриваемой частоты сиектра при иапряженности электрического поля, равной нулю, . а - модуль коэффициента пропорциональностн, указывающего на способность данного днэлектрика изменять свою диэлектрическую нроницаемость под действием электрического поля и имеющего размерность . Обозначив число порядков Р интерференции, удовлетворяющих условию (2), через L для каких-то конкретных условий работы спектротроиа светового диаиазона (материала пластинки, величины напряжения 6,з источника питппия, чувствительности фотосопротивлеиия 6 и т. д.), будем иметь набор Л, Р,, Р,..., Р,. .... PL(5), k 1, 2,3, .. При этом спектротрон светового диапазона обладает L устойчивыми состояниями равповесь я ири облучеиии его когереитным световым потоком с одной частотой (одной линией спектра). Если число L много меньше величины старшего порядка интерференцн, т. е. P2 + + 2 ... :PL + b-l ТО спектральное расстояние между любымн дву.мя смежнымн порядками (например, между Р,,, и РХ.И) остается приблизительпо постояииым, иезначительно увеличиваясь при понижении величины порядка интерференции. Общее выражение для спектрального расстояпня AV дается зависимостью

Если в источнике спектра облучения снектротрона светового диапазона содержится jM спектральных линий, имеющих эквидистантное распределение со спектральным расстоянием между двумя соседними линиями 6v, равным .

т - 1

(8)

Ьых ) - М PI-M

где Avjiiin - минимальное спектральное расстояние меладу порядками интерференции из набора (5), в частности, между порядками Р и Ра. vi - наименьщее значение волнового числа, соответствующего наиболее длинной волне линий спектра, то спектротрон светового диапазона можег быть настроен на любую из М частот спектра, характеризуемых волновыми числами

1, 2, . . , .., М(9)

где г 1,2,3... М.,

порядка интерференции в пределах каждого из набора (о).

Общее число настроек интерференционного колебательного контура в резонанс при этом определяется произведением чисел L и Л1.

Амплитудно-частотно-порядковая характеристика «контура (крииая // фи1. 2) иыряжает зависимость иитенсивпости выходного светового потока от интерферометра или, что то же, зависимость величины управляющего настройкой «коптура напряжения U от текущего значения волнового числа v и номера порядка интерференции.

Число максимумов у этой характеристики также равно произведению чисел L и УИ. Каждому из этих максимумов соответствует определенное значение показателя преломления диэлектрической среды пластиики / (иидексы k и г даны в общем виде), так что для различных порядков интерференции и различных частот условия настроек «ИКК в резонанс можно заиисать в виде

. . - PIга

. . . - V;«i; - .

. . :VM/Z2At Pzlla

. . . V./Zo,- . . . HZVM/Z M

. . . Vj/г,;; .

PL fid

...-- Ч;ПЦ . (10)

причем имеет место выполнение неравенств

1 2 . . . i . . . -М

Теоретическое рассмотрение показывает, что текущее значение интенсивности выходного светового потока «контура /выхФ в зависимости от текущего значения управляющего напряжения 5ф определяется выражением

COS 2С V + (k 1) Av. + (1 - 1) 5v Лк„5ф

2l2

Ф(и)

У -гОЦ1

,,-i-()Av,,+ (z-l)5v

где 5ф - номер максимума амплитудно-частотно-порядковой характеристики, или номер состояния устойчивого равиовесия спектротрона светового диапазона, определяемый выражением

5ф(/г-1).М + г(12),

/; - интенсивность г-ой линии спектра на выходе «контура,

vi - волновое число, соответствующее линии спектра с наиболее длииной волной,

k и i-г соответственно индексы номера порядка иитерференции и волнового числа линий спектра,

- спектральное расстояние между порядком Pk-i интерференции и порядком Р интерференции,

6v - спектральная щирииа между двумя

соседиими линиями эксидистаитного спектра

облучения спектротрона светового диапазона,

с - скорость света, / - текущее значение времени,

Q,; - добротность «контура для г-й лииии спектранри k-ou порядкеинтерфереиции,

- коэффициент передачи «контура для 5ф состояния спектротрона светового диапазона,

Ф (U)-некоторая функция управляющего папряжения U.

Ф(и)„.. + Ь-и(13),

где v,,a,r - некоторое начальное значение частоты (в волновых числах) настройки «контура, меньще vj,

b - постоянный коэффициент, имеющий размерность см. ,

и - управляющее напряжение, прикладываемое к электродам 4 и 5 интерферометра. Выражение (1) таким образом, является

аналитической функцией кривой/7 (см. фиг. 2). Рассматривая описываемый спектротрои светового диапазопа как замкнутую систему автоматического регулирования, следует отметить, что величина управляющего напряжения и определяется величиной фотосопротивления 6, которая, в свою очередь, зависит от интепсивпости выходного светового потока

вых ф1 Г- и 5й(/„,,ф)й5

(14).

(Зр)

dS - элемент площади рабочей части фотослоя.

Совместное решение уравнений (11) и (И) приводит к выражению вида

и (U}ldS(15),

(Pl

которое, свидетельствуя о замкнутости петли обратной связи системы автоматического регулирования, каковой является спектротрон светового диапазона, позволяет найти области устойчивого равновесия прибора на основании известных критериев устойчивости (например, с помощью критерия Ляпунова) с соответствующими этим устойчивым состояниям равновесия управляющими напряжениями t/j,;, что можно записать в форме

11 1-2 ... 1 ;....-. t/lM

t/21 L,2 ... о; ...... Ь2М

и,, и,, .../,,,...-.. f/,M

Uj,...Uu ..... . t/iM

Пересечение прямой обратной связи (11) с амплитудио-частотно-порядковой характеристикой // гребенчатого типа, определяет точки равновесия прибора, при этом равновесия устойчивы в случаях пересечения ниспадающих частей гребенчатой характеристики (на фиг. 2 указано точками).

Таким образом, число устойчивых состояний спектротрона светового диапазона Л равно произведению числа используемых порядков интерференции L на число линий спектра М в составе светового потока облучения, т. е.

N L-M(17),

Наибольшее число устойчивых состояний равновесия спектротрона светового диапазона находят из вьшажения

л - -- .

(Да)

J max -

(;Т.п-.а

Vg - l

г (ОУ 2rf+ 1.

где Лmax - наибольшее число состояний устойчивого равновесия,

(а) - модуль коэффипиента изменения показателя преломления диэлектрической среды пластинки от действия электрического поля с напряженностью Е,

е(О) - начальное значение диэлектрической проницаемости материала пластинки на оптических частотах при Е О,

UQ - постояппое напряжение источника питания,

d - толщина пластинки / в см,

г - постоянный коэффициент, зависящий от чувствительности фотосопротивлеиия 6,

/о - интенсивность светового потока на входе прпбора,

Q - добротность «интерференционного колебания контура,

q - коэффицнент, определяемый отношением величин выходных интенспвностей светового потока от «контура соответственно при настройке последнего «в резонанс и при полпой его расстройке (что дается выражениями

(2) и (3)); графически это отношение максимального значения ординаты 11 к минимальному ее зпачению.

Выражение (18) показывает зависимость наибольшей величины устойчивых состояний

спектротрона светового диапазона от свойств используемых материалов, техпологин изготовления прибора, силы источннка спектра облучения, напряжения питающего источиика и габаритных размеров устойчива.

Подсчитано, что спектротрон светового диапазона может обладать несколькими тысячами устойчивых состояний, а число устойчивых состояний радиочастотных спектротроиов, в лучшем случае, достигает нескольких десятков.

Запуск радиочастотного спектротрона светового диапазона, т. е. перевод из одного устойчивого состояния в другое, можно осуществить различными способами. Однако

наиболее перспективен и практичен запуск -путем воздействия на электрод 5 коротким строб-импульсом (наносекундЕюй длительности) с соответственно подобранной площадью (энергией). Причем реверс запуска легко осуществить переменой полярности у строб-импульса. Применение коротких строб-имиульсов для запуска резко увеличивает быстродействие прибора, которое практически определяется постоянной времени релаксации фотосопротивления.

Считывание информации, т. е. определение номера, состояния, в котором находится спектротрон светового диапазона, отличается от подобной операции в радиочастотном спектротроне. Как в первом, так и во втором имеются выходы статических и динамических признаков состояния, то есть напряжения и частоты. Для радиочастотного сиектротрона число статических и динамических признаков

одинаково и равно числу устойчивых состояний прибора (то есть числу линий снектра в составе входного сигнала). Для спектротрона светового диапазона число динамических признаков равно числу линий спектра входиого

светового потока и в L раз меньше числа устойчивых состояний прибора; число статических признаков равно числу состояний прибора. Поэтому однозначно состояние сиектротрона светового диапазона может быть определено только при использовании статических признаков (так как L - различным состояниям спектротроиа светового диапазона отвечает один и тот же динамический признак). Важно отметнть, что пользование од овременпризнаками для определения номера его состояния практически ничем не уступает по надежности методу определения состояния только по динамическим признакам (как в радиочастотном спектротроне), поскольку по статическим признакам только определяется номер порядка интерференции k, а не само состояние 5ф. Это исключает появление сбоев при амплитудпой селекции номера к за счет некоторого дрейфа значений управляющих напряжений и при действии па фотоспектротрон различиых дестабилизируюпдих факторов (изменение температуры, напряжения источника питания, старение материалов пластинки /, фотосопротнвления 6 и сопротивлеиия иагрузки 9 и т. д.). Указанные нежелательные явления могли бы привести к сбоям прп селекции пепосредствеино номера состояния 5ф но статическим признакам, так как напряжения U/ и U() отличаются на довольно малую величину, сравнимую с «дрейфовым разбросом управляющего напряжения. В то же время, напряжения U,i н U(k,f)i отличаются па величину, много больще указанного «дрейфового разброса, поэтому селекция номера /г отличается весьма высокой надежностью.

Окончательное определение состояния спектротрона светового диапазона достигается на основании выражения (12), при этом «сетка частот - динамических призиаков выполняет как бы роль нониуспой шкалы.

Часть выходного светового нотока от «контура ироходит через отверстия 7 в фотосопротивленни 6 и электроде 8, являясь монохроматизированной (то есть содержит практически только одну из М линий спектра), и используется для селекции динамического признака.

Источник питания, генератор линейчатого спектра, запускающие и селектирующие цепи могут быть общими для нескольких однотипных спектротропов светового диапазона, поэтому конструктивно не входят в пего (на фиг. I не указаны).

Рассчитанный образец фотоспектротрона имел форму диска диаметром 5 мм и толщиной 2 мм. При потреблении энергии около 1 мет он допускает надежную работу при стабильности источника питания порядка 0,5°о. по папряжению, термостабилизации не хуже ±0,06° и вакуумном исполнении (в вакуумном баллоне) при 100 устойчивых состояниях равновесия.

Вес спектротрона светового диапазопа составляет 0,1 г. При матричном построении (например, в запоминающих устройствах) на площади в 1 дм при сверхплотной упаковке размещается 500 спектротропов светового диапазона.

Работа спектротропа светового диапазона со 100 устойчивыми состояниями равновесия наиболее приемлема при использовании этих приборов в десятичных цифровых вычислительных машинах. В этом режиме работы большим доетоинством спектротрона светового диапазона является простота системы цифровой индикации номера состояния прибора, например, иа световых табло с цифровой системой отсчета (в виде десятичного двухразрядного числа).

Действительно, еели обозначить через /Y и У числа соответетвующих разрядов двухразрядного десятичного числа, где X - число

единиц нервого (младшего) разряда, а У - число единиц старшего разряда, то ири УТОМ

X i-l

y /e-1 .(19),

что находится в полном согласии с выражепием (12).

Таким образом, выход динамических признаков управляет индикатором единиц младшего разряда, а выход етатических призпаков - индикатором единиц старшего разряда т. е. цепи индикации не требуют сложных преобразователей, так как они уже разделены. Число линий спектра при этом равно 10(). Для рассчитанного фотоспектротрона со 100 устойчивыми состояниями равновесия число используемых порядков интерферснции L также равно 10. Порядок интерференции PI в слое прп этом составляет приблизительно величину порядка 4000. Средняя

длина волны линий спектра составляет в рассчитанном варианте около 5000А. Папряжепие источника питания лежит для различных материалов пластинки 1 (например, кварца) в пределах 30-100 в. Величина сонротивления

нагрузки 9- около 1,0-2,0 мгом.

Предмет изобретения

Спектротрон, содержащий четырехполюсник с гребенчатой амплитудно-частотной характеристикой, охваченной петлей обратной связи, отличающийся тем, что, с целью увеличения числа его устойчивых состояний равновесия

при работе прибора в оптической области частот, в нем в качестве четырехполюсника используется интерферометр Фабрн-Перо, облучаемый от источника когерентных монохроматических колебаний света е линейчатым спектром и связанный оптически с фотосопротпвлепием, которое включено последовательно с постоянным сопротивлением нагрузки, а цепь обратной связи образуется соединением его с электродами интерферометра.

У

K,L ()(.U V4v/j i/- y

fus f

tZ

Ч

Риг. 2