научная статья по теме МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЯ СПЕКТРАЛЬНОГО СОСТАВА И ДЛИТЕЛЬНОСТИ ИЗЛУЧЕНИЯ, СОПРОВОЖДАЮЩЕГО ВЫХОД УДАРНОЙ ВОЛНЫ НА ТЫЛЬНУЮ ПОВЕРХНОСТЬ МАТЕРИАЛОВ ПРИ ПРЯМОМ ЛАЗЕРНОМ ОБЛУЧЕНИИ Физика

Текст научной статьи на тему «МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЯ СПЕКТРАЛЬНОГО СОСТАВА И ДЛИТЕЛЬНОСТИ ИЗЛУЧЕНИЯ, СОПРОВОЖДАЮЩЕГО ВЫХОД УДАРНОЙ ВОЛНЫ НА ТЫЛЬНУЮ ПОВЕРХНОСТЬ МАТЕРИАЛОВ ПРИ ПРЯМОМ ЛАЗЕРНОМ ОБЛУЧЕНИИ»

ПРИБОРЫ И ТЕХНИКА ЭКСПЕРИМЕНТА, 2014, № 2, с. 103-108

ОБЩАЯ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ТЕХНИКА

УДК 621.386.8

МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЯ СПЕКТРАЛЬНОГО СОСТАВА И ДЛИТЕЛЬНОСТИ ИЗЛУЧЕНИЯ, СОПРОВОЖДАЮЩЕГО ВЫХОД УДАРНОЙ ВОЛНЫ НА ТЫЛЬНУЮ ПОВЕРХНОСТЬ МАТЕРИАЛОВ ПРИ

ПРЯМОМ ЛАЗЕРНОМ ОБЛУЧЕНИИ

© 2014 г. Л. А. Душина, 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: dushinala@gmail.com, тел. (83130)20410 Поступила в редакцию 12.07.2013 г.

Разработана фотохронографическая методика исследования спектрального состава и длительности излучения, сопровождающего выход ударной волны на тыльную поверхность нагружаемой мишени. Проведена оценка спектрального разрешения методики. Предложен метод сквозной калибровки канала регистрации по излучению источника с известным спектром. Результаты проведенной калибровки использованы для восстановления спектрального распределения по полученным спек-трохронограммам.

DOI: 10.7868/S0032816214020268

ВВЕДЕНИЕ

Эксперименты по исследованию уравнений состояния вещества (у.р.с.) с прямым облучением мишеней второй гармоникой (X = 0.53 мкм) нео-димового лазера проводятся во ВНИИЭФ на установке "Луч" [1]. Возникающая в образце ударная волна (у.в.) при выходе на его тыльную поверхность возбуждает свечение этой поверхности в видимом диапазоне. Это свечение регистрируется щелевым фотохронографом.

Как правило, в экспериментах по ударной сжимаемости с нагружением лазером измеряется скорость фронта ударной волны [2—4]. Данная скорость определяется по задержке у.в. в слоях известной толщины, а момент выхода у.в. фиксируется по появлению свечения поверхности слоя.

Для правильной интерпретации и повышения точности получаемых параметров вещества за фронтом у.в. очень полезны были бы также измерения температуры. В качестве первого шага в реализации измерений температуры нами разработана методика изучения спектрального состава излучения тыльной поверхности мишени.

Второй целью исследований спектра излучения тыльной поверхности материалов являлось повышение чувствительности методики для работы с относительно слабыми у.в., распространяющимися со скоростью <10 км/с, и оптимизации динамического диапазона регистрации, так как амплитуды регистрируемых сигналов от различных материалов сильно разнятся.

Для получения таких данных разработана фотохронографическая методика, обеспечивающая высокое спектральное и временное разрешение регистрации. Отработка, испытание и внедрение разработанной методики проведены на стенде исследований уравнений состояния вещества установки "Луч". В работе приведены экспериментальные результаты по исследованию спектра излучения и его длительности при выходе ударной волны с тыльной поверхности алюминия и свинца.

Излучение, регистрируемое фотохронографом в экспериментах по у.р.с., характеризуется коротким фронтом нарастания интенсивности сигнала с характерной длительностью порядка 100 пс. При обработке экспериментальных данных в анализ включаются амплитуды сигналов фронтов свечения исследуемых образцов. Дальнейшее свечение мишени является фоновым и из диагностики исключается гашением фотохронографа.

Изображение тыльной поверхности мишени строится диагностическим объективом на входной щели регистратора СЭР-5. Для защиты от фонового лазерного излучения из камеры служит светофильтр СС4, ослабляющий силовое лазерное излучение до 106 раз.

Основные параметры фотохронографической части методики: длительность развертки составляет 4.2 нс/экран; методика обеспечивает погрешность определения временных задержек сигналов у.в. из исследуемых образцов в пределах временного разрешения электронно-оптического преобразователя (э.о.п) 8? < 20 пс; простран-

Входная щель спектрографа (горизонтальная)

Рис. 1. Схема измерения спектрального состава сигнала ударной волны.

ственное разрешение по мишени составляет 8/ < < 15 мкм; динамический диапазон регистратора составляет ~600.

Для получения дополнительных данных о спектральном составе регистрируемого излучения в оптическую схему включен диспергирующий элемент — спектрограф. Основные требования к спектрографу по рабочему диапазону длин волн и спектральному разрешению следуют из спектрального диапазона чувствительности (от 300 до 700 нм) и пространственного разрешения (70 мкм) регистратора.

Требования, предъявляемые к спектрографу:

— обзорность по длине волны — от 300 до 700 нм;

— спектральное разрешение 8^ < 1 нм;

— возможность вписать в существующую оптическую схему, простота обращения, компактность.

Для разрабатываемой методики был использован линзовый спектрограф с компенсацией астигматизма SL 100М производства предприятия Solar TII (Белоруссия). Данная модель обеспечивает спектральное разрешение 0.5 нм в диапазоне от 360 до 1400 нм. Конструкция спектрографа предусматривает регулировку наблюдаемого диапазона и позволяет провести сопряжение получаемой спектральной дисперсии с вертикальной щелью хронографа.

Схема диагностики представлена на рис. 1, там же схематично показано соответствие входных щелей спектрографа и фотохронографа. По схеме видно, что из всего изображения мишени на регистрацию попадает локальный элемент изображения, вырезанный щелями спектрографа и фотохронографа. Пространственный анализ, задаваемый вертикальной координатой фотохронографа, превращен в этой методике в спектральный. Входная ши-

рина щели спектрографа задает спектральное разрешение регистрации, ширина щели фотохронографа — временное (7). Подобный метод анализа спектрально-временного состава оптического излучения был использован авторами ранее [5].

Высота щели фотохронографа составляет к = = 8.5 мм, спектральная дисперсия спектрографа равна 23.7 нм/мм. Отсюда следует, что щель регистратора охватывает спектральный диапазон ДХ = = 200 нм. Интересующий спектральный диапазон составляет ДХ = 700 — 300 = 400 нм. Поэтому для получения информации о светимости материалов во всем диапазоне чувствительности регистратора требуется проведение двух экспериментов со спектральной перестройкой методики.

КАЛИБРОВКА СПЕКТРАЛЬНОЙ ЧУВСТВИТЕЛЬНОСТИ МЕТОДИКИ

Оптическая схема диагностики включает в себя ряд элементов, вносящих искажения в регистрируемый спектр: выходное окно камеры взаимодействия, диагностический объектив, поворотное зеркало, объективы и дифракционная решетка спектрографа, а также входной объектив хронографа. Это обусловлено нелинейностью их работы в разных участках спектра: пропускание, отражение, нелинейность спектральной эффективности решетки. Электронно-оптическая часть методики (фотокатод э.о.п.) также имеет существенную особенность в виде нелинейности спектральной чувствительности.

Ввиду сложности аттестации отдельных частей методики, была проделана сквозная калибровка спектральной чувствительности измерительного канала. В качестве источника непрерывного по спектру излучения использовалась эталонная вольфрамовая лампа СИ-10-300.

527 нм

430

450 470

490

510 нм

Рис. 2. Зарегистрированное спектральное распределение свечения образцовой лампы в диапазоне 450— 520 нм.

Относительная чувствительность 1.0

400

500

600

700 X, нм

Рис. 3. Результат сквозной калибровки спектральной чувствительности оптической схемы и фотохронографа /кал(^).

N отн. ед. N отн. ед.

10 8 6 4 2

430 450 470 490 510 нм 520 560 600 640 680 нм

Рис. 4. Спектры образцовой лампы: паспортный и восстановленный. 1 — паспортный спектр лампы при токе I = 12 А; 2 — восстановленный спектр ("синяя" область); 3 — паспортный спектр лампы при токе I = 10 А; 4 — восстановленный спектр ("красная" область).

Вольфрамовая лента накаливания лампы СИ-10-300 устанавливалась перед рабочей мишенью со стороны облучения.

На рис. 2 приведен пример изображений спектра излучения лампы, снятых для диапазона длин волн 450—520 нм, а также записи регистрируемого спектра — /рег(Х). На спектрограмме присутствует лазерный репер — X = 527 нм.

На рис. 3 приведен результат сквозной калибровки методики /кал(Х) для всего спектрального диапазона регистрации. К полученной кривой была применена операция сглаживания высоких частот. Для достоверности кривой корректировки спектральной чувствительности с коротковолновой стороны был отброшен крайний участок спектра лампы до X = 450 нм, так как в этом диапазоне уровень полезного сигнала сравним с уровнем фона.

При настройке методики на заданный спектральный участок в эксперименте с рабочей мишенью привязка к калибровочной кривой осуществлялась по лазерной линии.

Была проведена оценка реальной погрешности спектрального распределения, полученного с помощью описанного метода восстановления. Для этого проводилось сравнение восстановленного спектра образцовой лампы с ее паспортными характеристиками. Результат сравнения представлен на рис. 4.

Для восстановления были выбраны снятые спектры свечения лампы, не использованные при получении сквозной чувствительности канала регистрации. Погрешность восстановленного спектра составила 8Х = ±10%.

Сигнал юстировочного лазера

\

Лазерное излучение

А1

Слой исследуемого материала

Рис. 5. Схема мишени для спектральных исследова-

ПОСТАНОВКА ЭКСПЕРИМЕНТОВ

Эксперименты по исследованию спектра свечения мишеней при воздействии у.в. проводились на малой камере установки "Луч". Облучение мишеней осуществлялось в штатной постановке экспериментов по изучению свойств ударной сжимаемости различных материалов. Длина волны силового лазерного излучения составляла X = 527 нм, энергия облучения Е ~ 350 Дж, длительность лазерного импульса по полувысоте т05 = 2 нс, интенсивность лазерного излучения облучения порядка 0.5 • 1014 Вт/см2.

В данной работе предполагается сравнить спектры свечения разных материалов при выходе на поверхность ударной волны, поэтому в экспериментах с разными материалами необходимо обеспечивать одинаковые конструкции мишеней и условия облучения.

Для исследований была выбрана конструкция мишени, схема которой показана на рис. 5. Базовый слой из алюминия служит

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.

Показать целиком