Усилители яркости, преобразователи изображения, формирователи экспонирования: Электронно-оптические преобразователи

1. Усилители яркости, преобразователи изображения, формирователи экспонирования: Электронно-оптические преобразователи

(продолжение)

2. ЭОП со щелевой развёрткой – стрик-камера

ера (ЭОП со щелевой разверткой)
Стрик-камера
(ЭОП
со щелевой –
разверткой)
ЭОППринцип
со щелевой
развёрткой
стрик-камера
действия
Принцип действия
кое временное разрешение (до 1 пс = 10-12 с)
!!! высокое временное разрешение (до 1 пс = 10-12 с)
Развертка во времени
спектра свечения плазмы Развертка во времени
пример
измерительной системы (Hamamatsu)
истемы
(Hamamatsu)
спектра свечения плазмы

3. Диссектор

Принцип действия
- на фотокатоде при освещении создается электронное изображение
- щелевая диафрагма вырезает малую часть этого изображения
- напряжением на отклоняющих пластинах можно направить в щель
электроны из заданной области на фотокатоде
- за щелью находится обычный электронный умножитель
- измеряется выходной ток
-> если расположить диссектор на выходе спектрального прибора,
то можно, подавая на отклоняющие пластины синусоидальное
напряжение, получить на выходе периодическую развертку
спектра свечения плазмы
Измерение профиля линии H на установке ГОЛ-3
U, В
dI/d
- синусоидальное напряжение
на отклоняющих пластинах
(развертка по спектру)
0 .0
-0 .4
1 .0
t = 24 м кс
N e = 1 .3 1 01 6 с м -3
Ti = 15 эВ
0 .8
0 .6
0 .4
- сигнал на выходе диссектора
-0 .8
-1 .2
0 .2
-1 .6
0 .0
-6
-4
-2
0
2
4
6
0
5
10
вр ем я, м кс
15
20
25

4. Фотометрия фасеточных изображений

Рассмотрим работу ЭОП с МКП в импульсном режиме с предельной чувствительностью.
Доля сработавших каналов << 100%
Изображение - не перекрывающиеся точки.
Ф = Ф×n
Ф0
Ф
Ф - поток от одной точки
n - число точек на единицу площади
!!! На точность измерения влияет статистика (малое число сработавших точек)

5. Применения ЭОП – быстрые электроны

Применения
ЭОПЭОП
– быстрые
электроны
Применения
для диагностики
ЭОП с разверткой
- линейная, t ~ 10
-11
c (1950-е гг.) -> 10
-12
с
- круговая (ИЯФ, накопитель ВЭП-1)
наблюдение за группировкой пучка
на экране ЭОП по синхротронному
излучению
сигнал от сгустков
Рентгеновские ЭОП
а) фотокатоды из Au, Al, CsI, CuI, входное окно - Be, 10-300 мкм
б) ЭОП с микроканальной пластиной
спектральная
чувствительность
пленка
МКП

6. Примеры диагностик – ВУФ спектр

Спектр ВУФ излучения плазмы вблизи линии L – 121,6 нм
в экспериментах на установке ГОЛ-3
ЭОП расположен на выходе вакуумного спектрального прибора
экспозиция 1/30 с
экспозиция 500 нс
напряжение на ЭОП 1.2 кВ
снимок ЭОП до выстрела
окно LiF
снимок ЭОП в выстреле
напряжение на ЭОП 1.4 кВ
L
121.6 нм

7. Примеры диагностик – видимый спектр

Спектр излучения плазмы вблизи линии H – 656,3 нм
в экспериментах на установке ГОЛ-3
ЭОП расположен на выходе спектрального прибора по высоте
щели с пространственным разрешением
600
O4+(?) N+ (?)
радиус хорды
интенсивность, отн. ед.
C+ C+ D0
D
CII
OV (?)
NB0201
400
NB0201:
Ba ≈ 0.1 Тл
Bs ≈ 3 Тл
R ≈ 31
200
0
200
NB0202
NB0202:
Ba ≈ 0.08 Тл
Bs ≈ 3 Тл
R ≈ 38
длина волны
0
-30
-20
-10
0
10
радиус хорды, мм
20
30

8. Примеры диагностик – рентгеновский ЭОП

Задача - изучить воздействие мощного плазменного потока на
конструкционные материалы термоядерных реакторов
Схема измерений
ГОЛ-3
Фотография
экспозиция 0.3 мкс через 3.4 мкс от начала инжекции электронного пучка

9. Примеры диагностик – ВУФ ЭОП

Съемка взрыва крупинки в плазме ВУФ обскурой
крупинка CH2, 0.15 мг
экспозиция 1 мкс
ВУФ = Вакуумный УльтраФиолет, 10-100 эВ
Объемный взрыв
Замагничивание
~3∙105 см/с, ~5 эВ
Расширение:
3D
Термализация
v ~ 3∙106 см/с
3D -> 1D
2 s
1D
6 s
1 cm
4 s
PL3477
ГОЛ-3
PL3471
PL3469

10. Спектрально-селективные приборы

• Поглощающие фильтры
• Интерференционные и поляризационные фильтры
• Фильтры для рентгеновского и ИК диапазонов
• Спектральные приборы с призмой
• Спектральные приборы с дифракционной решеткой
• Интерферометр Фабри-Перо
• Спектрометры рентгеновского диапазона
• Спектрометры с многослойными зеркалами
• Рентгеновские спектрометры на кристаллах

11. Фильтры (определения)

T (ï ð î ï ó ñ êà í è å )
ï î ëî ñî âû å ô èëüò ðû
î á ðåçàþ ù èå ô èëüò ðû
T
1
T
0
m a x /2
T
m ax
Т = Ф/Ф0 – пропускание (зависит от длины волны)
R = 0/ – разрешающая способность
R = 10-100 – низкая
R = 103÷105 – средняя
R > 106 - высокая
Tmax/Tmin – контрастность (104÷108 – очень хорошая)
полоса пропускания – интервал, для которого T > k∙Tmax
(обычно k = 0.5 или 0.1)
m in

12. Поглощающие фильтры

• Фильтры из цветного стекла или других окрашенных твёрдых веществ
• Газовые фильтры
Поглощение света подчиняется закону
• Жидкостные фильтры
Бугера – Ламберта – Бера
Ф Ф0 10 k ( ) l
k – коэффициент ослабления
l – толщина фильтра
Кривые пропускания светофильтров,
отсекающих коротковолновую область
спектра: 1- БС4, 2 – БС5, 3- БС7, 4- БС8, 5ЖС10, 6- ЖС11, 7- ЖС12, 8-ЖС16, 9-ЖС17,
10-ЖС18
Для жидкостных и газовых фильтров:
k ( ) 10 C
С – концентрация, моль/л
10 – молярный коэффициент экстинкции,
(см·моль/л)-1
1 – вода толщиной 1 см
2 – раствор хлористой меди 2 см, 2.5%

13. Фильтры ИК диапазона

Метод фокальной изоляции (использование хроматической аберрации)
Фильтр Вуда
экран
Фокальный монохроматор
фокус в среднем ИК
(n~2 для ~50 мкм)
фокус в видимом
свете (n~1.5)
0 ~ 50
Ø ~ 0.5 мм
перестройка длины волны
Дисперсионный фильтр (фильтр Христиансена)
взвесь мелких частиц (капель) одного вещества в другом
пока n1≠n2, происходит сильное рассеяние света
0 ~ 5 10
NaCl
частный случай: порошок прозрачного вещества в воздухе,
резонансные явления при размере частиц порядка длины
волны
обзор УФН, т.25, 1941

14. СВЧ и ТГц фильтры

Одиночная частотно-избирательная поверхность (ЧИП)
g
t
a
g
a
t
Примеры амплитудных (1), (3) и фазовых (2), (4) спектральных характеристик
моды Флоке для тонких медных сеток индуктивного и емкостного типов при разных
значениях коэффициента заполнения a/g (толщина металлизации: t/g=1 10-3; нормальное
падение). LCR-модели сеток приведены на рис. (А) и (B).

15. Фильтры ИК диапазона - 2

Селективное отражение
метод остаточных лучей –
многократное отражение для
«очистки» спектра и улучшения
контрастности.
Фильтр полного внутреннего отражения
λ2
λ1
λ1<λ2<λ3
l1
λ3
λ2<λ3
l2
расстояние между призмами порядка
длины волны, коротковолновое
излучение отражается
λ1< λ2< λ3,
λ1< l1< λ2,
λ2 < l 2 < λ3
Отражение от матированных поверхностей
излучение с >> размеров шероховатости отражается зеркально
излучение с << размеров шероховатости рассеивается
область применения: средний и дальний ИК диапазон, >20 мкм

16. Интерференционные фильтры

Интерференция в тонких плёнках
Δ
если тонкая пластина в воздухе (n > 1, n0 = n1 = 1), то
для отражённых лучей оптическая разность хода
или
максимумы интерференции при 2nhcos(ψ) + λ/2 = m λ
Интерференция для тонкого слоя
для коэф. отражения R и пропускания T: R + T = 1
амплитуда прошедшей волны:
сдвиг фаз между волнами:
в итоге:
интенсивность прошедшей волны:
(формула Эйри)
• в максимуме I2 = I0 (волна проходит без потерь)
• в минимуме пропускание зависит от коэффициента
отражения:
требуются высокие коэффициенты отражения

17. Интерференционные фильтры - 2

Многослойные диэлектрические зеркала
n1 > n2, n1 > n,
n1h1 = n2h2 = /4
проблема: мала величина R для диэлектриков,
R ~ 0.3 получаются для TiO2 (n=2.45) и ZnS (n=2.3)
выход: многослойное покрытие слоёв из двух разных
материалов [часто ZnS (n=2.3) и криолит Na3AlF6 (n=1.35)]
Если подобрать толщину слоёв, как на рисунке, то будет
селективно отражающее зеркало. Для 9-11 слоёв R ~
0.99, т.е лучше, чем у металлов (R ~ 0.97 max.)
Для n1 = √n весь падающий свет проходит (R ~ 0), т.е имеем
просветление оптики.
Многослойные диэлектрические фильтры
интерференционные зеркала
1
0,5
0.5÷10 нм
стекло (подложка, часто цветное)
тонкий интерферометр
Фабри-Перо (n0d = /2)
Tmax/Tmin до 104
λ0/3
λ0/2
λ0

18. Боковые полосы пропускания

186
280
560 нм
расчётное пропускание полуволнового слоя
расчётный коэффициент отражения
семислойных отражающих зеркал
реально измеренная кривая пропускания
нм
• подавление побочных полос пропускания поглощающими фильтрами
• рабочую длину волны можно “подстраивать” в синюю область, наклоняя фильтр
0
sin
1
n
2

19. Полихроматор на многослойных фильтрах

ГОЛ-3
диагностика томсоновского рассеяния
2
3
4
T (ï ð î ï ó ñ êà í è å )
ô èëüò ðû : 1
1
0
!!! попадающий в канал спектр зависит и от пропускания всех предыдущих фильтров
5

20. Интерференционно-поляризационный фильтр

П – поляризатор, К – двулучепреломляющий кристалл с осью под 45º
T (ï ð î ï ó ñ êà í è å )
2
l
(n1 n2 )
1
0
(для обыкновенной и необыкновенной волн,
зависят от длины волны)
2
l (n1 n2 )
- доли ангстрема
требуется выделение рабочей линии !!!
Фильтр Лио:
- оптическая длина следующего кристалла удваивается
Пример реализации:
T (ï ð î ï ó ñ êà í è å )
T1
T2
….
T6
T
- на линию Н ( = 656.2 нм)
- 11 ступеней, = 0.3 нм, R ~ 22000
- первые ступени из кварца, потом из шпата
(n1-n2) = 0.01 и 0.17, соответственно
- проблема: нужна хорошая термостабилизация
(дрейф ~0.05 нм/градус)

21. Фильтры для ВУФ и рентгеновской области

Пропускание в ближнем ВУФ диапазоне – оптические материалы
материал
кварц
сапфир
BaF2
CaF2
MgF2
LiF
, нм
150
142
130
118
110
100
* для тонкого окна, изготовленного из высококачественного материала
Рентгеновский диапазон – тонкие поглощающие фильтры
I I 0 e k ( ) d I 0 e k E ( E ) d
[нм] 1240 / E[ эВ ]
- фотоэффект !
энергия отсечки Е0 – такая, что k (E0)·d·ρ = 1 T =1/e
10 мкм Ве E0 ≈ 1.0 кэВ
опасны тяжёлые примеси !
1
1
10
0 .8
A g 0 .1 m
0 .8
50
C 2F 4, 1 m
0 .6
T
T
0 .6
скачки
поглощения
K, L, M, N…
оболочки
200
0 .4
A l, 6 m
0 .4
0 .2
0 .2
B e , ì êì
0
0
1
2
3
E , keV
4
0
5
0
1
2
3
E , keV
4
5
(К - внутренняя)

22. Полосовые рентгеновские фильтры

Фильтры на скачках поглощения
0 .8
C , 1 m
T i, 0 .3 m
C u , 0 .3 m
0 .6
T
0 .4
0 .2
0
200
100
500
E,eV
1000
С ростом энергии пропускание растёт.
Если энергия фотона начинает превышать
порог возбуждения очередной электронной
оболочки в атоме, то поглощение резко
усиливается (скачок).
Оболочки (от ядра): K
L
M
N
…
Фильтры Росса
Разность сигналов двух детекторов с фильтрами из элементов Z и Z+1.
0 .6
Fe,
2 5 m
26
C o,
2 0 m
27
0 .6
N i,
1 7 m
28
0 .4
T
U1
U2
0 .2
0
U1-U2
T
0 .4
N i- C o
C o -F e
0 .2
0
5
6
7
8
E , keV
9
10
5
6
7
8
E , keV
9
10

23. Зеркала рентгеновского диапазона

Наблюдается резкий рост коэффициента отражения зеркал при переходе к малым углам
падения (относительно плоскости зеркала). Поэтому удаётся организовать селективное
отражение для ряда задач (отсечка коротковолнового излучения).
для разных углов падения
влияние интерференционного слоя
отражение в мягком рентгеновском диапазоне
зеркало из алюминия, угол по
отношению к плоскости зеркала
угол падения
88º
80º
коэф. отражения
72%
16%
Зеркальную фокусирующую и поворачивающую оптику использовать можно, но только
при касательном падении. Это приводит как к малой светосиле, так и к жёстким
требованиям на точность изготовления поверхности и качество сборки.

24.

Спектральные приборы.
Источники излучения.

25. Спектральные приборы - определения

диспергирующий элемент
координата в плоскости приёмника
s – ширина входной щели
D – апертурная диафрагма
f1, f2 – фокусные расстояния коллиматорного и
камерного объективов
1.
dl – размер монохроматического источника на входе
a(l) – функция распределения яркости на выходе от
монохроматического источника
φ(l) – истинный (падающий) спектр излучения
f(l) наблюдаемый спектр излучения
Аппаратная функция (инструментальный контур) – a(l)
R 0 /
a(l ) dl 1
f (l ) a(l l ) (l ) dl
2.
Разрешающая способность
3.
Светосила
по освещённости – при фотографической регистрации
потоку – при фотоэлектрической регистрации
d по
/ dсветовому
4.
Угловая дисперсия
5.
Линейная дисперсия
dl
d 1
f2
d
d sin
камеры
, где f2 – фокусное расстояние объектива
– угол между плоскостью
спектра и осью
d / dl

26. Дифракция света на щели Дифракция Фраунгофера

представим щель как набор излучателей размера dx
интенсивность излучения под углом составляет для
зоны Фраунгофера
интегрируя по всей ширине щели, получим амплитуду
дифрагировавшей волны
интенсивность света в направлении
,
где
• при = 0 интенсивность максимальна: I = I0
• минимумы излучения при
• соотношение интенсивностей максимумов
• основное излучение лежит внутри угла

27. Дифракционная аппаратная функция

дифракция на диспергирующем элементе
считаем пучок света прямоугольным
где
– размер светового пучка на диспергирующем элементе
дифракционное разрешение зависит от размера прибора
Критерий Рэлея для разрешающей способности
Считаем две тонких линии различимыми, если максимум одной попадает на первый минимум другой.
Тогда провал между пиками (случай а) составляет 20% - различимо глазом. Неразличимо – случай б.
Размер входной щели s неважен, если
где sн – нормальная ширина щели,
fоб, Dоб – параметры коллимирующего
объектива
При меньшей ширине щели световой
поток уменьшается, при её увеличении
портится спектральное разрешение.

28. Щелевая аппаратная функция

s’
|s’-s2|
2s’
sн’
Обратная линейная дисперсия d /dl конечная ширина
щели эквивалентна уширению спектральной линии
щ s
d
f d
s 2
dl
f1 dl
Размер входной щели s неважен, если
s’+s2
s – входная щель
s’ – выходная щель
a – спектрометр с одной большой щелью
b – спектрометр с двумя разными большими
щелями
c – спектрометр с одинаковыми широкими
щелями
d – изображение нормальной щели
где sн – нормальная ширина щели,
fоб, Dоб – параметры коллимирующего объектива
При меньшей ширине щели световой поток уменьшается,
при её увеличении портится спектральное разрешение.
Светосила
зависимость уширения линии от ширины щели
яркость входной щели:
b d
D 2
поток на выходе: Ф d b d S T b d (hs) 2 T
4 f1
площадь щели
телесный угол
пропускание

29. Влияние ширины щели - спектрограф

Узкая спектральная линия
E лин
Ф
f12 hs sin D 2
D2
b 2
T~ 2
h s
4
f 2 hs
f12
f2
Для тонкой линии яркость Eлин не зависит от ширины щели, f1 и
угловой дисперсии. Для фотографической регистрации нужно брать
короткофокусную оптику (в ущерб разрешающей способности).
Слабо изменяющийся сплошной спектр (фон)
Eспл
Ф спл
1
s D 2
D 2 s d
b 2
T~ 2
d
h s
f2 f
4
f 2 f1 d
1
d
δλспл
Отношение яркости линии к яркости фона
E лин f1 d
~
Eспл
s d
профиль тонкой линии
При фотографической регистрации выгодно брать
нормальную толщину щели

30. Влияние ширины щели - монохроматор

Узкая спектральная линия
Флин
hs D 2
D2
Ф b 2
T~ 2S
f1 4
f1
При широкой входной щели на выходе прямоугольная «линия».
Слабо изменяющийся сплошной спектр (фон)
f1
h
Фспл Ф спл
f2
h’
hs 2 D 2 d
b 3
T
f1 4 d
Отношение яркости линии к яркости фона
E лин f1 d
~
Eспл
s d
Зависимость отношения линии к фону та же, что и для спектрометра

31. Схемы освещения входной щели

Задача осветителя: согласовать светосилу спектрального прибора с характеристиками источника.
Если диспергирующий элемент не освещён полностью, то разрешение прибора теряется.
схемы освещения (некоторые примеры)
для протяженного источника
для маленького источника
(больше световой поток)
для нестабильного источника (дефокусировка)
или для спектрального прибора с астигматизмом
трёхлинзовый осветитель

32. Призменные спектральные приборы

Существует множество конструкций призменных спектральных приборов, рассмотрим только тот
случай, когда в равнобедренной призме свет на основной длине волны идёт параллельно основанию.
!!! в этом случае отклонение лучей призмой минимально
Закон преломления на поверхности:
ni sin i nr sin r
α
D
t
желательно применение тяжёлых стёкол (с большим n)
зависимость координаты от длины волны нелинейна !
- угловая дисперсия
- разрешающая способность, достигает 106
особенности призменных спектрометров:
• кривизна изображения входной щели
• изменение поляризации света
призменные приборы не имеют проблемы наложения порядков спектра

33. Приборы с дифракционной решёткой

амплитудные (пропускающие) решётки
• каждая щель образует волну с угловой направленностью
• между волнами от разных щелей есть разность фаз
• интерференция этих волн имеет вид
A
B
• условие главных максимумов
• интенсивность основного пика
A·B
пример для дифракции на 6 щелях
N – полное число штрихов
m – порядок спектра
угловая дисперсия:
m/dcos
разрешающая способность:
d /d =
/d = Nm

34. Профилированные (фазовые) решётки

типы фазовых решёток
пропускающая
отражающая
Смысл фазовой решетки: подбором формы волнового фронта
переместить максимум концентрации энергии в требуемый
порядок интерференции. При этом световой поток не теряется.
решётка с профилированным штрихом
для решетки с углом блеска
во 2 порядке
В автоколлимационной схеме и малы, поэтому
Главные максимумы будут при
максимум излучения смещается в порядок
(«угол блеска»)
• возможно наложение линий разных порядков
особенности спектрометров с решётками:
«дỳхи» из-за периодической неоднородности структуры
Эшелле – решетки с большими углами для работы в высоких порядках спектра, m ~ 10÷100

35. Схема типичного спектрального прибора

экраны для подавления рассеянного излучения

36. Спектрометры с фокусирующими решётками

R - радиус кривизны решётки
Круг Роуланда = окружность с Ø = R
Решётка сама является фокусирующим элементом.
Входная и выходная щели расположены на круге Роуланда.
R
Применение: там, где использование линз нежелательно и
минимизировать количество отражающих поверхностей (ВУФ).
Рентгеновская область спектра: решётки скользящего падения

37. Спектрометры с пространственным разрешением

Обзорный спектрометр установки ГОЛ-3
калибровка при помощи 8 ламп накаливания
коор динат а
(л а м п о ч к и ч е р е з 1 с м )
длина волны
С в е ч е н и е п л о т н о й п л а з м ы в р а з н ы х у ч а с т к а х в и д и м о го с п е к т р а
H
C II
656.3 658
Li I
460.3
5 см
PL3894 CH
PL3906, LiD
2
5 см
Li III
449.9

38. Интерферометр Фабри-Перо

Условия максимумов:
n T
m-2
m-1
m
mmax 2 L /
Угловая дисперсия:
m»1
d
1
d
2
Область свободной дисперсии: 2 L m
R
L
R
обычно промежуток воздушный
Разрешающая способность:
N eff
/ N eff
T R
1 T R
R
m N eff
14 при T·R = 0.8
{ 314 при T·R = 0.99
реально ~ / 20
число различимых линий в пределах
области свободной дисперсии
расщепление линий при эффекте Зеемана
(работа 2.1 атомного практикума)

39. Пропускающие рентгеновские решётки

m=0
m = -1
расстояние L
D
N
d
фильтры
d L
dl b
решетки
d = 1 мкм, b = 0.3 мкм
m = +1
D = 50 мкм
шаг d, щель b
Параметры: золото толщиной 0.5 мкм, N = 100, L = 65 см
d /dl ≈ 15 Å/мм, min= 2 Å (прозрачность золота), ~ 4 Å
Спектральное разрешение определяется:
1)
разрешением решётки (числом штрихов N),
2)
размером «монохроматического пятна (минимум D)
Недостаток: крайне малая светосила
использование в системах инерциального синтеза
щели
детекторы (плёнка и МКП)
В нулевом порядке получается изображение объекта.

40. Рентгеновские спектрометры на кристаллах

θ
θ
θ
атомные плоскости
2d – постоянная кристаллической решётки
Излучение падает на кристалл, вырезанный вдоль
одной из главных кристаллографических
плоскостей. Глубина проникновения фотонов в
вещество составляет много монослоёв.
есть интерференция рассеянного излучения
Условие Вульфа-Брэггов
m 2d sin( )
есть длинноволновая граница
2d
кристалл «выбирает» одну длину волны
настройка – изменением угла падения/ в
узком диапазоне
очень высокая разрешающая способность и
селективность, но маленькая светосила.
органические псевдокристаллы нестойки

41. Многослойные рентгеновские зеркала

2d
m 2d sin( )
Для работы в мягком рентгеновском диапазоне (энергия
фотонов от 100 эВ до 1 кэВ или от 10 до 100 Å) на
подложку напыляется много (20-500) чередующихся
слоёв из сильно и слабо рассеивающих веществ.
Пример пары: W-C или Ti-Be, нужна оптимизация для
рабочей длины волны. Можно подбирать нужный период
2d (типичный интервал 40÷600 Å).
как и кристалл, многослойное зеркало является селективным отражателем, но в
процессе участвуют не отдельные атомы, а многоатомные слои.
Коэффициент отражения высокий и доходит до ~70% в лучших образцах, светосила
гораздо выше, чем у кристаллов (за счёт худшего спектрального разрешения)
Проблемы:
• очень высокие требования к технологии изготовления
• не для всех длин волн удаётся найти хорошую пару элементов
• в интерференции участвуют меньше рассеянных лучей, велико поглощение
ширина «кривой качания» составляет ~0.5÷1 градус

42. Конец лекции