Файл: Зубов В.А. Методы измерения характеристик лазерного излучения.pdf

для временного разрешения получается оценка Д£,,ох ~ —5 • ІО-10 сек. Исходя из реальной прочности имеющихся материалов, получаем несколько большую величину Д£мох ~

— ІО“» сек [131].

Следует иметь в виду, что ухудшение временного раз­ решения из-за дефектов оптической системы в данном слу­ чае играет пренебрежимо малую роль, так как оно мень­ ше' на 3—4 порядка.

Приборы, используемые в практике, работают обычно в режиме покадровой съемки и в режиме непрерывной раз­ вертки (в режиме фотохроиографии). Характеристики не­ которых приборов приведены в табл. 18 [132].

§ 3. Временное разрешение (фотокатода

При рассмотрении работы систем, в которых осуще­ ствляется преобразование световых сигналов в электри­ ческие сигналы с последующим исследованием их струк­ туры, в первую очередь встает вопрос о временном разре­ шении фотокатода при преобразовании сигналов. Здесь рассматриваются только приемники, работающие на ос­ нове внешнего фотоэффекта, поскольку они обладают наи­ лучшими временными характеристиками — об этом го­ ворилось раньше. Из большой группы катодов наиболь­ шее распространение в современных приборах получили полупрозрачные фотокатоды типов

Ag—О—Cs, Sb—Cs, Sb—Cs—О, Sb—Na—К

и Sb—Na—К—Cs.

Катоды этих типов имеют квантовый выход около 10— 30% и позволяют перекрыть довольно широкий спектраль­

ный интервал (~2000—15 000 Â). Толщина пленки полу­ прозрачного катода h ~ 10-0 см. Кинетическая энергия испускаемых электронов для видимого света WK~ 1 эв= =1,6■ 10-1а г-см2кекг [7].

Процесс собственно фотоэффекта можно считать безинерционным. Временное разрешение обусловлено глав­ ным образом конечной толщиной фотокатода и конечной скоростью движения электронов [129]. Оценка скорости движения электронов ѵ легко получается с помощью вы­ ражения для кинетической энергии испускаемых электро­

нов: V = \j2WJm- Отсюда для временного разрешения фото­

126

ведены выше (масса электрона 7И=9,1 •10~2S г), получим Аікат ~ ІО-14 сек в случае видимого излучения. При ра­ боте в красной и близкой инфракрасной областях для

Приведенные оценки показывают, что преобразование световых сигналов в электрические с приемниками, ра­ ботающими на внешнем фотоэффекте, характеризуется высоким временнйм разрешением А£кат ~ ІО-13—ІО-14 сек.

§ 4. Временное разрешение систем развертки электронных пучков

Временное разрешение систем развертки электронных пучков А£рааа определяется, как и в случае механической системы развертки, из соотношения A£paaB= d Іѵ, где d — величина разрешаемого элемента на экране (размер пятна в этом случае больше дифракционного), ѵ — скорость раз­ вертки. Вначале рассмотрим случай линейной развертки.

Рис. 36. Система развертки электронного луча.

Схематическое изображение системы представлено на рис. 36. Пучок электронов, имеющих скорость ѵ0, про­ ходит между отклоняющими пластинами длиной 21. В этой области на электроны действует сила еЕ, где Е — напряженность отклоняющего поля. Под действием этой силы электроны отклоняются на расстояние хг и приобре­ тают скорость и, перпендикулярную ѵ0. Дальнейшее дви­ жение электронов прямолинейное, это приводит к тому, что электроны еще больше удаляются в сторону, на рас­ стояние х2, Время пролета электрона через отклоняющее

127

поле t=2llv0. В этом поле электрон имеет ускорение а— =еЕ/т. Имеем

Полное отклонение электронов равно

2e lL E

Х1“1“ Х2

С учетом того, что WK=mvy2=eU, где U — ускоряющее напряжение,

*1 + ^2 = І Е

и скорость развертки

_ l L d E

V ~ U dt ’

Отсюда для некоторого d временное разрешение такой си­ стемы будет [129]

Численные оценки дают Аіразп—ІО-12 сек для следую­ щих значений параметров:

d ~ ІО-2 см, U — ІО4 в, I — 2,5 см, L — 20 см, dE/dt ~ ІО4 (в/с.м)/10-8 сек = ІО12 в/(сек • см).

Всистемах такого рода дальнейшее увеличение dE/dt до величин ~ 104 (в/слі)/10-9 сек~1013 в/{см-сек) не пред­ ставляется возможным из-за резонансных явлений в от­ клоняющей системе на частотах порядка 200 Мгц.

Вподобных системах возможно осуществление круго­ вой развертки. В этом случае вектор напряженности электрического отклоняющего поля не меняется по ве­ личине., а меняется по направлению, вращаясь с некоторой частотой ю. Эта частота может быть приблизительно на порядок выше, чем в случае линейной развертки, по­ скольку для линейной развертки необходимо пилообразное напряжение, а для круговой — синусоидальное. На эк­ ране в случае круговой развертки получается окружность радиуса

R = + х2 = ^ Е.

128

Скорость развертки по этой окружности ѵ— ЫЬЕ/ІІ, от­ куда получаем времеппбе разрешение системы с круговой разверткой для величины d [129]:

■Ud

A W ~ ULE ■

Для численных значений величин d ~ ІО“2 см, U ~ ІО4 в, I —- 2,5 см, L — 20 см, ш ~ ІО9 сек-1, Е —104 в/см по­ лучается численная оценка временнбго разрешения си­ стемы

~1°"13 сек.

Впринципе в отклоняющих системах любого вида наблюдается еще эффект — так называемый дробовой эф­ фект отклонения. Этот эффект дает неупорядоченные флук­ туации отклонения из-за квантового взаимодействия элект­ рона с отклоняющим полем [129]. Оценки для этого эффекта можно провести, пользуясь соотношением неопре­ деленностей

~h,

где WK± — кинетическая энергия электрона, обусловлен­ ная составляющей скорости, перпендикулярной ѵ0. При­ нимая те же обозначения и значения величин, которые были выше, имеем для величины составляющей кинети­ ческой энергии электрона

тг?__е& т W KJ.— 2 U а '

откуда для ограничения временнбго разрешения из-за

Оценка показывает, что этот эффект дает пренебрежимо малый вклад.

Дальнейшее развитие осциллографических систем раз­ вертки в сторону увеличения быстродействия связано с ис­ пользованием трубок типа бегущей волны для увеличения полосы и усилителей яркости для облегчения фотографи­ рования с экрана трубки. В результате таких мер удается достигнуть скорости развертки до 10е км/сек при полосе более 3■ 10е гц [52].

§5. Временное разрешение систем

сфотоэлектронным умножителем ц осциллографом

Блок-схема измерения временных характеристик из­ лучения включает оптическую систему, направляющую излучение на приемник (ФЭУ), приемник излучения (ФЭУ), усилитель, линию передачи сигнала, электронно­ лучевую трубку и оптическую систему фотографической регистрации [133].

Временное разрешение системы определяется следую­ щими факторами. Временное разрешение оптических ус­ тройств, используемых в этой системе регистрации, сос­ тавляет Atom—ІО-13—-10—14 сек. При преобразовании све­ товых сигналов в электрические за счет фотоэффекта в катоде фотоумножителя временибе разрешение состав­ ляет также Дікат~10-13—ІО-1'1 сек. Причина этого связана с конечной толщиной фотокатода и конечной скоростью фотоэлектронов. Временибе разрешение системы усиле­ ния сигналов в фотоэлектронном умножителе составляет Д^фэу ~Ю - 8—Ю-9 сек. Причины относительно невысо­ кого временного разрешения связаны с задержкой про­ цесса вторичной электронной эмиссии, которая состав­ ляет Ді~10-12 сек [134], и с отсутствием фокусировки вторичных электронов в процессе умножения [135]. При наличии начального разброса скоростей фотоэлектронов (Ди~10° см/сек) процесс умножения приводит к значи­ тельному разбросу длин путей электронов, а это в свою очередь обуславливает разброс во времени. Таким обра­ зом возникает временное расплывание сигнала на вели­ чину, сравнимую с временем пролета электронов от фото­ катода до анода. Все это и дает указанную величину. Для усилительной системы существенным фактором явля­ ется полоса пропускания усилителя, которая может достигать Дсо~1010 гц. Это дает временибе разрешение Д^уо —10—1° сек. Применение усилителя связано с тем, что при больших ускоряющих напряжениях, необходи­ мых для обеспечения возможности фотографирования с экрана при больших скоростях разверток, на откло­ няющие пластины нужно подавать большие отклоняющие напряжения. Полоса пропускания передающей линии достигает —ІО11—ІО12 гц, что соответствует временному разрешению Діліш~10-11—ІО-12 сек. Временное разреше­ ние развертки электронных пуцков ограничено конечной скоростью развертки на экране трубки и хроматической

130

аберрацией электронного пучка и имеет величину AfpnOT~

— І О -12— І О “13 сек.

Таким образом, наиболее узким местом в рассмотрен­ ной системе регистрации являются фотоумножитель и уси­ литель. Специально разработанные конструкции фото­ электрических приемников с фокусировкой вторичных электронов позволяют улучшить временное разрешение до Діфэу—І О -9—І О -11 сек. Усилитель может быть исклю­ чен из схемы измерения при использовании фотоэлемен­ тов и фотоумножителей с большим током на выходе (ток порядка нескольких ампер). Фотоэлементы (ФЭК) и фото­ умножители (ЭЛУ), удовлетворяющие этим требованиям, рассматривались ранее (см. § 3 гл. 1). Таким образом, можно достичь временного разрешения систем с фото­ электрическим приемником и осциллографом порядка

І О -11 сек.

§6. Временное разрешение систем

сэлектронно-оптическим преобразователем

Для исследования временных характеристик излу­ чения находят широкое применение электронно-опти­ ческие преобразователи (ЭОП) [129]. При исследовании процессов с высоким временным разрешением ЭОП дол­ жен обеспечивать быструю развертку на экране и обла­ дать быстродействующим затвором. Использующиеся в ЭОП системы разверток — обычного типа. Быстродей­ ствующие затворы реализуются по-разиому в различных схемах. В основном находят применение три способа включения ЭОП, обеспечивающих достаточное быстро­ действие: путем подачи на ЭОП короткого импульса ускоряющего напряжения (при этом требуется импульс­

тростатического затвора (эта система требует импульсного напряжения -—2 кв с длительностью —І О -7—10“s сек), с помощью сеточного затвора (эта система требует им­ пульсных напряжений —-100—200 в с длительностью ~10-7- 1 0 - 9 сек) [136, 137, 138].

Схематическое изображение ЭОП с компенсированным электростатическим затвором дано на рис. 37, а. 1 — ка­ тод, 2 — электронная линза для подфокусировки изо­ бражения, 3 — анод, 4 — диафрагма, 5 и 6 — пластины компенсированного электростатического затвора, 7 и 8 —

9* 131