ОБЩАЯ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ТЕХНИКА
УДК 621.386.8
ФОТОХРОНОГРАФИЧЕСКИЕ РЕГИСТРАТОРЫ ДЛЯ ЛАЗЕРНОГО ТЕРМОЯДЕРНОГО СИНТЕЗА
© 2014 г. Д. С. Корниенко, А. Г. Кравченко, Д. Н. Литвин, В. В. Мисько, А. Н. Рукавишников, А. В. Сеник, К. В. Стародубцев, В. М. Тараканов, А. Е. Чаунин
РФЯЦ—ВНИИэкспериментальной физики Россия, 607190, Саров Нижегородской обл., просп. Мира, 37 E-mail: akravchenko@list.ru, тел. (83130)20410 Поступила в редакцию 12.07.2013 г.
Представлены результаты разработки фотохронографического регистратора для новой лазерной установки УФЛ-2М. Данный фотохронограф предназначен для диагностики параметров лазерного излучения и плазмы. Разработанный прибор имеет следующие основные характеристики: предельное временное разрешение <5 пс, пространственное разрешение >20 пар штрихов/мм, динамический диапазон >1000.
DOI: 10.7868/S0032816214020104
ВВЕДЕНИЕ
Современный уровень постановки экспериментов по программам лазерного термоядерного синтеза на установках нового поколения NIF (США), LMJ (Франция), УФЛ-2М (Россия) выдвигает повышенные требования к методам диагностики лазерного излучения и плазмы, в том числе и к фотохронографической регистрации.
Многоканальная лазерная установка требует измерения временной формы лазерного импульса в каждом канале, таутохронизма лазерных каналов [1]. Использование для облучения мишеней профилированных лазерных импульсов обусловило особую остроту проблемы реализации динамического диапазона регистрации (DR) на уровне >103.
Короткие мощные лазерные импульсы для создания точечных лазер-плазменных источников рентгеновского излучения в целях диагностики, а также для реализации режима "быстрого зажигания" потребовали повышения временного разрешения регистрации до т ~ 1 пс. Детальная регистрация пространственно-временной структуры лазерного излучения, сжатия термоядерных мишеней, динамики развития плазменных образований, переноса рентгеновского излучения в замкнутых полостях, исследования газодинамических процессов при лазерном и рентгеновском воздействии на образцы требует разработки методов регистрации, обладающих сочетанием высоких временного, пространственного, спектрального разрешений и динамического диапазона.
Единственным прямым способом измерения параметров быстропротекающих процессов с ха-
рактерным временем т ~ 10-11—10-9 с и обладающим наряду с этим достаточно высоким пространственным разрешением (<100 мкм) является высокоскоростная развертка изображения, основанная на применении электронно-оптических преобразователей (э.о.п.) [2, 3].
В настоящее время ведутся разработки базовой модели стрик-камеры для установки УФЛ-2М. Для этого проведено сравнительное тестирование ряда отечественных э.о.п. как в составе серийных регистраторов (камера К014 с э.о.п. ПИМ-112 производства компании БИФО (Москва)), так и в составе макетных образцов разработки ВНИИ-ЭФ (СПО9 и СПО23 производства ВНИИ автоматики (ВНИИА), ПИМ-103 производства компании БИФО).
Сравнение камер с э.о.п. ПИМ-112, ПИМ-103, СПО9 и СПО23 показало, что наиболее близко соответствует требованиям экспериментов на установке УФЛ-2М э.о.п. СПО23 производства ВНИИА.
1. ФОТОХРОНОГРАФ СЭР-4
К моменту начала проведения модернизации комплекса фотохронографической аппаратуры на лазерных установках "Искра-5" и "Луч" успешно эксплуатировался оптический фотохронограф СЭР-4. В регистраторе в качестве времяана-лизирующего каскада использован э.о.п. ПИМ-103 разработки ВНИИ оптико-физических исследований (в настоящее время его производством занимается компания БИФО).
Данная камера имеет следующие основные технические характеристики: предельное временное разрешение >10 пс; пространственное разрешение >20 пар штрихов/мм; динамический диапазон >30.
Для целей строящейся установки УФЛ-2М ряд параметров потребовал улучшения. В первую очередь это временное разрешение и динамический диапазон регистрации.
2. ВРЕМЯАНАЛИЗИРУЮЩИЙ Э.О.П.
2.1. Требования к э.о.п. Пути повышения динамического диапазона и временного разрешения
Известным способом повышения динамического диапазона э.о.п. является формирование фотокатода на электропроводящей низкоомной подложке. Эта технология значительно устраняет проблемы, связанные с искажениями изображения при отборе больших импульсных токов.
Временное разрешение фотохронографических регистраторов принято характеризовать физическим (предельным) и техническим временным разрешением. Реальное временное разрешение определяется худшей из этих составляющих. Физическое временное разрешение обусловлено растягиванием пакета электронов, одновременно эмитированных катодом, за время пролета до отклоняющих пластин, являющихся времяанализи-рующим элементом. В основном физическое временное разрешение зависит от ширины спектра фотоэлектронов и напряженности электрического поля в прикатодной области.
Для повышения физического временного разрешения э.о.п. необходимо повышать напряженность электрического поля в прикатодной области. Причем увеличение напряженности поля ведет как к улучшению предельного временного разрешения э.о.п., так и к увеличению динамического диапазона.
Таким образом, были выработаны требования, на основании которых было разработано техническое задание ВНИИЭФ, целью которого являлось изыскание принципов и путей модернизации времяанализирующего э.о.п., а также разработка хронографического электронно-оптического регистратора, адаптированного к реальным условиям эксплуатации на установке УФЛ-2М с высоким динамическим диапазоном регистрации >1000 и временным разрешением до 1 пс.
Работа проводится совместно с предприятиями ВНИИА и БИФО. В результате выполнения этапов этих работ нами были получены электронно-оптическая камера К014 на базе э.о.п. ПИМ-112 производства компании БИФО и электронно-оптические преобразователи СПО9 и СПО23 производства ВНИИА.
2.2. Сравнительные измерения динамического диапазона регистраторов с э.о.п. ПИМ-112, СПО9 и СПО23
С целью проверки технических характеристик было проведено сравнительное тестирование динамического диапазона, пространственного и временного разрешений приборов на базе ПИМ-112, СПО9 и СПО23.
Для работы с э.о.п. СПО9 и СПО23 были подготовлены регистраторы в конструкции камер СЭР-4. Запись результатов регистраций осуществлялась на п.з.с.-камеры. Динамический диапазон п.з.с.-камер составлял 2000. Максимальное значение интенсивности этих камер составляло /тах = = 16000 отсчетов п.з.с.
Исследования проводились с помощью импульсного неодимового лазера LCS-DTL-328QT с длительностью импульса 2.5—3 нс на длине волны X = 0.53 мкм. Импульс имел временную субструктуру с периодом 0.5 нс.
Динамический диапазон фотохронографа определялся путем регистрации лазерного импульса при разных уровнях входного сигнала. В качестве критерия определения нижнего и верхнего порогов регистрации использовалось общепринятое условие изменения длительности импульса на 20% [4].
При увеличении облученности фотокатода с некоторого уровня начинается нелинейная передача э.о.п. яркостно-пространственных характеристик изображения (насыщение э.о.п.). Этот эффект насыщения связан с тем, что при росте облученности фотокатода происходит нарушение эквипотенциальности катода, что приводит к дефокусировке изображения на экране и к потере пространственного и временного разрешений.
Нижний порог регистрации ограничен статистическим шумом фотоэмиссии с разрешаемого элемента. Зашумленность сигнала оценивается величиной отношения сигнал/шум. Если допустить погрешность измерений равной 20%, то отношение сигнал/шум равно 5. Поэтому при обработке слабых сигналов максимальная интенсивность этого сигнала превышала дисперсию фонового сигнала в 5 раз.
Исследования всех э.о.п. были проведены в одинаковых условиях. Техническое временное разрешение регистрации составляло 60 пс.
При обработке кадров пространственная ширина участка выбиралась размером 100 мкм, что примерно соответствует размеру изображения световолокна на экране регистратора.
Примеры регистрируемых изображений и характерная временная форма лазерного импульса, полученные при максимальном и минимальном уровнях входных сигналов и в линейном режиме приведены на рис. 1—рис. 3.
Обработка полученных результатов дала следующее. Длительность лазерного импульса (на
5 10
нс
15
20
- ~ Т0.5 = 2.8 нс (а) 1.
_ ) ц V
I, отсчеты п.з.с. 6000
5000
4000
3000
2000
1000
0
16000 14000 12000 10000 8000 6000 4000 2000 0
\ 60 50 40 30 20 10 0
I ,'■
(в)
0
...........
5 10 15 20 нс
Рис. 1. Регистрация формы лазерного излучения с ранжированием на входе камеры с э.о.п. СПО9: а — форма сигнала в середине линейного динамического диапазона; б — форма сигнала при максимально допустимом уровне сигнала (начало насыщения); в — форма слабого сигнала, соответствующего нижнему порогу регистрации.
0
уровне интенсивности 0.51тах), снятого в линейном режиме, составила т05 = 2.8 нс.
Для э.о.п. СПО9 (рис. 1) насыщение начиналось при сигнале интенсивностью 1тах > 14000 отсчетов п.з.с. При сигнале интенсивностью 1тах = 25 отсчетов п.з.с. измерение соответствовало нижнему порогу регистрации. Динамический диапазон регистратора составил
БЯ = 14000/25 ~ 600.
Для э.о.п. ПИМ-112 (рис. 2) сигнал интенсивностью 1тах > 3500 отсчетов п.з.с. соответствовал верхнему порогу регистрации (начало насыщения). При сигнале интенсивностью 1тах = 100 отсчетов п.з.с. измерение соответствовало нижнему порогу регистрации. Динамический диапазон регистратора составил
БЯ = 3500/100 ~ 35.
Для э.о.п. СПО23 (рис. 3) верхний предел регистрации составил 1тах = 15000 отсчетов п.з.с. Интенсивность сигнала, соответствующего нижнему порогу регистрации, составила 1тах = 12 отсчетов п.з.с. Динамический диапазон регистратора
БЯ = 15000/12 ~ 1300.
Из всех исследованных фотохронографов э.о.п. СПО23 обеспечил самый высокий динамический диапазон. Полученное значение БЯ = 1300 полностью обеспечивает требования по этому параметру при регистрации формы импульса лазерного излучения на установке УФЛ-2М.
J_I_I_I_I_1_
_|_I_I_I_1_
6
t, нс
10
12'
I, отсчеты п.з.с 4000
3000 2000 1000 0
1200 1000 800 600 400 200
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.