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

отклоняющих пластинах

(развертка по спектру)

- сигнал на выходе диссектора

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 свече

ния плазмы

предельной чувствительностью.

Доля сработавших каналов << 100%

Изображение - не перекрывающиеся точки.

Ф Ф

0

Ф = ΔФ×n

Δ

Ф - поток от одной точки

- число точек на единицу площади

n

!!! На точность измерения влияет статистика (малое число сработавших точек)

– 121,6 нм

в экспериментах на установке ГОЛ-3

ЭОП расположен на выходе вакуумного спектрального прибора

снимок ЭОП до выстрела

снимок ЭОП в выстреле

экспозиция 1/30 с

экспозиция 500 нс

напряжение на ЭОП 1.2 кВ

напряжение на ЭОП 1.4 кВ

окно LiF

L 121.6 нм

α

656,3 нм

в экспериментах на установке ГОЛ-3

ЭОП расположен на выходе спектрального прибора по высоте щели с пространственным разрешением

от начала инжекции электронного пучка

Задача

- изучить воздействие мощного плазменного потока на

конструкционные материалы термоядерных реакторов

см/с, ~5 эВ

Расширение: 3D 3D -> 1D

1D

крупинка CH2, 0.15 мг

экспозиция 1 мкс

1

c

m

6 s

PL3469

μ

Объемный взрыв Замагничивание Термализация

v ~ 3∙106 см/с

Съемка взрыва крупинки в плазме ВУФ обскурой

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

λ0/δλ – 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)

Газовые фильтры
Жидкостные фильтры

С – концентрация, моль/л
ε10 – молярный коэффициент экстинкции, (см·моль/л)-1

Для жидкостных и газовых фильтров:

k – коэффициент ослабления
l – толщина фильтра

1 – вода толщиной 1 см
2 – раствор хлористой меди 2 см, 2.5%

Поглощение света подчиняется закону
Бугера – Ламберта – Бера

Кривые пропускания светофильтров, отсекающих коротковолновую область спектра: 1- БС4, 2 – БС5, 3- БС7, 4- БС8, 5- ЖС10, 6- ЖС11, 7- ЖС12, 8-ЖС16, 9-ЖС17, 10-ЖС18

среднем ИК (n~2 для λ~50 мкм)
фокус в видимом свете (n~1.5)

экран

перестройка длины волны

Дисперсионный фильтр (фильтр Христиансена)

взвесь мелких частиц (капель) одного вещества в другом пока n1≠n2, происходит сильное рассеяние света
частный случай: порошок прозрачного вещества в воздухе, резонансные явления при размере частиц порядка длины волны

Ø ~ 0.5 мм

NaCl

обзор УФН, т.25, 1941

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).

размеров шероховатости отражается зеркально
излучение с λ << размеров шероховатости рассеивается
область применения: средний и дальний ИК диапазон, >20 мкм

Отражение от матированных поверхностей

расстояние между призмами порядка длины волны, коротковолновое излучение отражается
λ1< λ2< λ3, λ1< l1< λ2, λ2< l2< λ3

Селективное отражение

метод остаточных лучей – многократное отражение для «очистки» спектра и улучшения контрастности.

n1 = 1), то для отражённых лучей оптическая разность хода

Интерференция для тонкого слоя

или

максимумы интерференции при 2nhcos(ψ) + λ/2 = m λ

Интерференция в тонких плёнках

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

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

0.5÷10 нм

Tmax/Tmin до 104

волны можно “подстраивать” в синюю область, наклоняя фильтр

расчётное пропускание полуволнового слоя
расчётный коэффициент отражения семислойных отражающих зеркал
реально измеренная кривая пропускания

и от пропускания всех предыдущих фильтров

под 45º

(для обыкновенной и необыкновенной волн,
зависят от длины волны)

- доли ангстрема

требуется выделение рабочей линии !!!

- оптическая длина следующего кристалла удваивается

Пример реализации:

- на линию Нα (λ = 656.2 нм)
11 ступеней, δλ = 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)

оптические материалы

Рентгеновский диапазон – тонкие поглощающие фильтры

* для тонкого окна, изготовленного из высококачественного материала

энергия отсечки Е0 – такая, что k (E0)·d·ρ = 1 ? T =1/e
10 мкм Ве ? E0 ≈ 1.0 кэВ

- фотоэффект !

скачки поглощения
K, L, M, N… оболочки

(К - внутренняя)

опасны тяжёлые примеси !

энергия фотона начинает превышать порог возбуждения очередной электронной оболочки в атоме, то поглощение резко усиливается (скачок).
Оболочки (от ядра):

Разность сигналов двух детекторов с фильтрами из элементов Z и Z+1.

малым углам падения (относительно плоскости зеркала). Поэтому удаётся организовать селективное отражение для ряда задач (отсечка коротковолнового излучения).

для разных углов падения

влияние интерференционного слоя

? 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.

отражение в мягком рентгеновском диапазоне

зеркало из алюминия, угол по отношению к плоскости зеркала

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)
Разрешающая способность
Светосила по освещённости – при фотографической регистрации по световому потоку – при фотоэлектрической регистрации
Угловая дисперсия
Линейная дисперсия , где f2 – фокусное расстояние объектива ε – угол между плоскостью спектра и осью камеры
чаще для приборов приводится обратная линейная дисперсия [нм/мм]

s – ширина входной щели
D – апертурная диафрагма
f1, f2 – фокусные расстояния коллиматорного и камерного объективов

диспергирующий элемент

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

Dоб – параметры коллимирующего объектива
При меньшей ширине щели световой поток уменьшается, при её увеличении портится спектральное разрешение.

Дифракционная аппаратная функция

дифракция на диспергирующем элементе

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.

считаем пучок света прямоугольным

Dоб – параметры коллимирующего объектива
При меньшей ширине щели световой поток уменьшается, при её увеличении портится спектральное разрешение.

Щелевая аппаратная функция

Обратная линейная дисперсия dλ/dl ? конечная ширина щели эквивалентна уширению спектральной линии

s’

s’+s2

2s’

sн’

|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

зависимость уширения линии от ширины щели

Светосила

яркость входной щели: bλdλ
поток на выходе:

площадь щели
телесный угол
пропускание

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)

Отношение яркости линии к яркости фона

? профиль тонкой линии

При фотографической регистрации выгодно брать нормальную толщину щели

δλспл

та же, что и для спектрометра

Слабо изменяющийся сплошной спектр (фон)

Отношение яркости линии к яркости фона

При широкой входной щели на выходе прямоугольная «линия».

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

случай, когда в равнобедренной призме свет на основной длине волны идёт параллельно основанию.
!!! в этом случае отклонение лучей призмой минимально

Закон преломления на поверхности:
желательно применение тяжёлых стёкол (с большим n)
зависимость координаты от длины волны нелинейна !

- угловая дисперсия

- разрешающая способность, достигает 106

призменные приборы не имеют проблемы наложения порядков спектра

кривизна изображения входной щели
изменение поляризации света

особенности призменных спектрометров:

щелей есть разность фаз
интерференция этих волн имеет вид
условие главных максимумов
интенсивность основного пика

Приборы с дифракционной решёткой

амплитудные (пропускающие) решётки

N – полное число штрихов
m – порядок спектра
угловая дисперсия: dϕ/dλ = m/dcosϕ
разрешающая способность: λ/dλ = Nm
область свободной дисперсии: Δλ = λ/m

A

B

A·B

пример для дифракции на 6 щелях

волнового фронта переместить максимум концентрации энергии в требуемый порядок интерференции. При этом световой поток не теряется.

решётка с профилированным штрихом

В автоколлимационной схеме θ и ϕ малы, поэтому
Главные максимумы будут при
максимум излучения смещается в порядок
(«угол блеска»)

Эшелле – решетки с большими углами для работы в высоких порядках спектра, m ~ 10÷100

для решетки с углом блеска во 2 порядке

возможно наложение линий разных порядков
«дỳхи» из-за периодической неоднородности структуры

особенности спектрометров с решётками:

с Ø = R
Решётка сама является фокусирующим элементом.
Входная и выходная щели расположены на круге Роуланда.
Применение: там, где использование линз нежелательно и минимизировать количество отражающих поверхностей (ВУФ).

Рентгеновская область спектра: решётки скользящего падения

накаливания ?

при T·R = 0.8
314 при T·R = 0.99

{

число различимых линий в пределах области свободной дисперсии

обычно промежуток воздушный

расщепление линий при эффекте Зеемана (работа 2.1 атомного практикума)

= 65 см
dλ/dl ≈ 15 Å/мм, λmin= 2 Å (прозрачность золота), Δλ ~ 4 Å
Спектральное разрешение определяется:
разрешением решётки (числом штрихов N),
размером «монохроматического пятна (минимум D)
Недостаток: крайне малая светосила
использование в системах инерциального синтеза
В нулевом порядке получается изображение объекта.

вырезанный вдоль одной из главных кристаллографических плоскостей. Глубина проникновения фотонов в вещество составляет много монослоёв.
? есть интерференция рассеянного излучения

Условие Вульфа-Брэггов

есть длинноволновая граница
кристалл «выбирает» одну длину волны
настройка – изменением угла падения/ в узком диапазоне
очень высокая разрешающая способность и селективность, но маленькая светосила.

органические псевдокристаллы нестойки

100 эВ до 1 кэВ или λ 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