ПРИБОРЫ И ТЕХНИКА ЭКСПЕРИМЕНТА, 2014, № 2, с. 90-96
ОБЩАЯ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ТЕХНИКА
УДК 621.386.8
ИССЛЕДОВАНИЕ ОПТИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ЛАЗЕРНОЙ ПЛАЗМЫ ФОТОХРОНОГРАФИЧЕСКИМИ МЕТОДАМИ
© 2014 г. А. Г. Кравченко, Д. Н. Литвин, В. В. Мисько, А. В. Сеник, К. В. Стародубцев, В. М. Тараканов
РФЯЦ-ВНИИэкспериментальной физики Россия, 607190, Саров Нижегородской области, просп. Мира, 37 E-mail: glotos@mail.ru Поступила в редакцию 12.07.2013 г.
Приведены результаты фотохронографических исследований пространственно-временных и спектральных характеристик лазерной плазмы в оптическом диапазоне, полученные на установке "Ис-кра-5" в различных экспериментах. Диагностика проводилась с использованием щелевого фоторегистратора на основе электронно-оптического преобразователя ПИМ-112 с микросекундными длительностями разверток.
DOI: 10.7868/S0032816214020190
ВВЕДЕНИЕ
В экспериментах, проводимых на лазерных установках ВНИИЭФ, получили широкое применение методики на основе фотохронографической аппаратуры. Основным преимуществом оборудования такого класса является сочетание высокого пространственного и временного разрешений. Для исследования характеристик лазерной плазмы в оптическом диапазоне авторами разработан ряд фоторегистраторов на основе электронно-оптических преобразователей (э.о.п.) различного типа. В настоящей работе описан регистратор с микросекундными длительностями разверток. Прибор используется в ряде методик регистрации параметров лазерной плазмы в экспериментах различного типа, проводимых на установке "Искра-5".
Так, в основной камере взаимодействия установки "Искра-5" были проведены эксперименты по исследованию пространственно-временных характеристик плазменного образования, возникающего в атмосфере фонового газа под действием ударной волны (у.в.). Ударные волны возникали при вводе преобразованного во вторую гармонику (X = 0.66 мкм) излучения всех 12-ти каналов установки внутрь полых сферических мишеней из пластика.
На стенде МКВ-4 установки "Искра-5" были выполнены эксперименты по исследованию спектрально-временных характеристик плазменного образования, возникающего при одноканальном лазерном облучении (X = 1.315 мкм) алюминиевых мишеней при различном давлении фонового газа.
ФОТОХРОНОГРАФ МИКРОСЕКУНДНОГО ДИАПАЗОНА
Фотохронограф разработан на основе малогабаритного э.о.п. ПИМ-112 с фотокатодом 820 производства компании БИФО [1].
Фотокатод э.о.п. выполнен на волоконно-оптическом диске и имеет диапазон спектральной чувствительности от 380 до 850 нм, размер катода 8 х 16 мм, пространственное разрешение на фотокатоде около 25 пар линий/мм.
В качестве отклоняющей системы в э.о.п. используются две пары взаимно перпендикулярных пластин, что позволяет реализовать как режим щелевой развертки, так и кадровую съемку изображения. Отличительной особенностью конструкции э.о.п. является применение микроканальной пластины, которая может быть использована в качестве электронно-оптического затвора и усилителя яркости с управляемым коэффициентом усиления. Это позволило исключить из конструкции фоторегистратора усилитель яркости, что снизило его стоимость и габариты.
Для съемки изображения с экрана э.о.п. в регистраторе применена цифровая 14-разрядная п.з.с.-камера S2C-077APF производства НПО СИЛАР [2]. Входное окно камеры выполнено в виде плавающей волоконно-оптической пластины, что обеспечивает оптический контакт с экраном э.о.п.
В камере используется п.з.с.-матрица ISD077APF с размером пикселя 16 х 16 мкм при рабочем кадре 1024 х 1024 пикселя. Пространственное разрешение камеры оценивается как 2— 3 пикселя. Таким образом, применение камеры
Рис. 1. Фотохронографическая камера СЭР-6.
1
2 3
4
5
Рис. 2. Оптическая схема диагностики области п. о. регистратором в режиме щелевой развертки (вид на мишень со стороны регистратора). 1 — фоторегистратор, 2 — набор светофильтров, 3 — объектив "Юпи-тер-8", 4 — блок юстировки объектива, 5 — мишень.
данной модификации не вносит ухудшения в пространственное разрешение фоторегистратора и позволяет использовать большую часть экрана э.о.п. Большой динамический диапазон регистрации камеры (порядка 2000) также не ограничивает линейность всего фоторегистратора.
Фоторегистратор оснащен платами питания и управления на современной электронной базе. Связь с элементами управления регистратора осуществляется посредством волоконно-оптической линии связи и интерфейса Я8232 из состава п.з.с.-камеры. Предусмотрено управление следующими параметрами регистратора: задержкой запуска от прихода синхроимпульса; напряжением питания микроканальной пластины (усиление сигнала и электронно-оптический затвор); временем экспозиции кадра и задержкой между кадрами (для режима одно- и девятикадровой съемки); диапазоном длительности развертки (для щелевой съемки).
В случае использования регистратора в кадровом режиме изображение наблюдаемого объекта перестраивается непосредственно на входное волоконное окно э.о.п.
Для реализации режима щелевой развертки в регистраторе предусмотрена регулируемая вре-
-1—
5 Т, мкс
Рис. 3. Результат регистрации светимости п.о. при давлении остаточного воздуха Ро = 1 Торр: 1 — "сверхбыстрая" компонента у.в.; 2 — "быстрая"; 3 — "медленная"; Мах — момент достижения п.о. максимального размера.
"Медленная" компонента
"Быстрая" компонента
?
2 см
"'Сверхбыстрая" компонента
Рис. 4. Структура ударной волны при давлении остаточного воздуха Ро = 1 Торр.
мяанализирующая щель, с помощью которой изображение проецируемого на нее объекта переносится на фотокатод э.о.п.
Внешний вид собранного фотохронографа приведен на рис. 1.
В описываемых методиках регистрации параметров плазмы фотохронограф использован в режиме щелевой развертки с длительностью регистрации ~20 мкс. Предельное временное разрешение фоторегистратора ~100 нс, пространственное разрешение 80 мкм, линейный динамический диапазон регистрации ~1000.
1
5 Т, мкс
Рис. 5. Результат регистрации светимости п.о. при давлении остаточного воздуха ро = 0.1 Торр: 1 — "сверхбыстрая" компонента у.в.; 2 — "быстрая"; 3 — "медленная"; Мах — момент достижения п.о. максимального размера.
(а)
"Медленная" компонента
"Быстрая" компонента
2 см
(б)
Пересечение отраженной "сверхбыстрой" с остальными компонентами
Конструкция подвеса мишени
Сверхбыстрая" компонента
о
1
3
ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОСТРАНСТВЕННО-ВРЕМЕННЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ПЛАЗМЕННЫХ ОБРАЗОВАНИЙ
С использованием основной камеры взаимодействия установки "Искра-5" [3, 4] реализована фотохронографическая методика исследований пространственно-временных характеристик плазменных образований (п.о.) в микросекундном диапазоне.
Оптическая схема регистрации динамики развития п.о. при использовании разработанного прибора в режиме щелевой развертки представлена на рис. 2.
Данная оптическая схема обеспечивает поле зрение в области мишени ~40 см, при этом пространственное разрешение, приведенное к плоскости мишени, составляет 1.5 мм. Спектральный диапазон регистрации ограничен светофильтрами для отсечки бликов рассеянного лазерного излучения, диапазон регистрации составляет от 0.35 до 0.5 мкм.
Исследована динамика развития п.о., расширяющегося в атмосферу фонового газа под воздействием мощных у.в. Ударные волны формировались при вводе преобразованного во вторую гармонику (X = 0.66 мкм) излучения всех 12-ти каналов установки внутрь полых сферических мишеней. Мишень диаметром 3.2 мм с толщиной стенки 2 мкм выполнена из полипараксилилена, масса мишени 7 мкг. В мишени выполнено 6 отверстий диаметром 600 мкм для ввода излучения. В экспериментах давление остаточного воздуха в камере взаимодействия варьировалось от 0.1 до 1 Торр. Суммарная лазерная энергия, введенная в мишень, составляла порядка 2400 Дж. Длительность лазерного импульса на полувысоте ~0.5 нс.
Рис. 6. Структура ударной волны при давлении остаточного воздуха Р0 = 0.1 Торр: а и б отличаются по контрасту в два раза для более наглядного представления результата.
На рис. 3 приведена фотохронограмма, полученная при давлении остаточного воздуха р0 = 1 Торр.
При рассмотрении увеличенного участка хронограммы (рис. 4) отчетливо видна структура у.в., состоящая из "медленной", "быстрой" и "сверхбыстрой" компонент. Расстояние от поверхности мишени, на котором происходит отрыв "сверхбыстрой" компоненты от "медленной" и "быстрой", составляет 2 см. Момент времени, когда это происходит, составляет <100 нс. При этом отрыв симметричен относительно начального положения мишени снизу и сверху.
Схожий характер динамики развития п.о. зарегистрирован и в эксперименте с давлением остаточного воздуха р0 = 0.1 Торр (рис. 5). Структура ударной волны также состоит из "медленной", "быстрой" и "сверхбыстрой" компонент. Заметно пересечение сверхбыстрой" у.в., отраженной от конструкции подвеса мишени, с "медленной" и "быстрой" компонентами.
На рис. 6 приведен увеличенный участок хронограммы, показывающий сложный характер формирования ударной волны. Отрыв "сверхбыстрой" компоненты от "медленной" и "быстрой" происходит за время <80 нс, т.е за пределами временного разрешения прибора. Расстояние от поверхности мишени, на котором происходит этот отрыв, можно определить как 2 см с точностью до искажения насыщенным сигналом. Отрыв симметричен относительно начального положения мишени снизу и сверху. Пересечение отраженной
Я, см 14
12 10 8 6 4 2 0
т-1-1-1-г
0 1 2 3 4 5
1-1-1-1-1-г
7 8 9 10 Т, мкс
0 1000 2000 3000 4000
Рис. 8. Участок остывания п.о. при р0 = 0.1 Торр.
(б) ^ /ьГ
±
1000 2000 Т, нс
30
Рис. 7. Я-Т-диаграммы светимости п.о. для "быстрой" (1) и "медленной" (2) компонент: а — Р0 = 1 Торр; б — Р0 = 0.1 Торр.
"сверхбыстрой" и "медленной" компонент происходит на расстоянии 4 см от центра мишени через 480 нс.
Полученные пространственно-временные изображения демонстрируют сложную газодинамическую структуру наблюдаемых п.о. Локальные выбросы интенсивности в виде "струй" на хронограммах могут быть образованы вследствие изначального неравномерного облучения внутренней поверхности мишеней сфокусированным лазерным излучением.
Сравнение дина
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.