В настоящее время в различных областях науки и техники всё более широкое применение находит использование ультрафиолетового (УФ) спектрального диапазона. Весь УФ диапазон условно можно разделить на поддиапазоны: УФ-А (длины волн 315.400 нм), УФ-В (280.315 нм), УФ-С (200.280 нм) [Рекомендации по метрологии Российской Федерации Р50.2.044−2005 Государственная система обеспечения единства измерений. Характеристики оптического излучения солнечных имитаторов].
Интерес к области УФ-А, известной как диапазон «Пчелиного зрения», обусловлен сильным различием контрастов между отражением различных веществ. В частности, низкий уровень отражения хлорофилла позволяет насекомым видеть яркие в этом диапазоне цветы на слабом фоне зелени.
Интерес к области УФ-В обусловлен тем, что это область эритемной чувствительности кожи. Этот диапазон определяет загар кожи и остро чувствителен к состоянию озонового слоя атмосферы. Именно по особенностям пропускания солнечного излучения в этом диапазоне можно оценить состояние озонового слоя планеты.
Интерес к УФ-С обусловлен тем, что этот диапазон имеет предельно низкий уровень фоновых помех.
Отметим, что основным источником естественных помех оптического диапазона является солнечная радиация. Однако благодаря озоновому слою планеты, а также атмосфере основная часть солнечной УФ радиации блокируется. В основном спектр оптического солнечного излучения, достигшего земной поверхности, сконцентрирован в области видимого и инфракрасного излучения (Рис. 1).
В атмосфере Земли солнечная радиация охватывает только УФ-А и УФ-Б диапазон. Влияние солнечной радиации на диапазон УФ-С пренебрежимо мало в любое время суток.
Таким образом, спектральный диапазон от 280 нм и меньше можно охарактеризовать как свободный от воздействия солнечного излучения (солнечно-слепой). Отсутствие естественных помех, обусловленных солнечной радиацией, и низкий уровень фоновых помех в УФ-С диапазоне делает солнечно-слепой диапазон весьма привлекательным для создания фотоприёмной аппаратуры, решающей различные технические задачи.
Работы по созданию сенсоров УФ диапазона ведутся много лет на Западе и в России. Основной проблемой использования, в частности, УФ-С диапазона является малость абсолютной величины сигналов и предъявление повышенных требований к чувствительности сенсоров. Однако чувствительность ограничивается необходимостью отфильтровать видимый спектр с подавлением паразитного диапазона на 15 порядков в диапазоне 5. 10 нм по спектру. В качестве эффективного решения этой сложной технической задачи были созданы новые фильтрующие материалы, промышленное производство которых потребовало создания существенно более совершенной по точности контролируемых параметров и надёжности системы автоматизации установок роста фильтрующих кристаллов.
В диссертации представлены результаты разработки монофотонного сенсора УФ-С излучения (при непринципиальных модификациях преобразуется в сенсор УФ-В) с существенно улучшенными характеристиками, обоснованы области его применения.
Разработанный монофотонный сенсор регистрирует с высокой вероятностью фотоны УФ-С излучения и для каждого зарегистрированного фотона определяет две угловые координаты и время его прихода с точностью до 1 не. Определение времени прихода фотонов, с высокой точностью является ключевой особенностью прибора, так как оно обеспечивает сенсору уникальную возможность не только обнаружения точечных источников УФ-С излучения, но и определения амплитудно-временной характеристики регистрируемого УФ излучения. Это существенно расширяет возможности созданного сенсора по сравнению с имеющимися российскими и зарубежными аналогами.
Кроме создания координатно-временного канала к существенным улучшениям характеристик относится значительное (в 10 раз) повышение чувствительности сенсора, расширение его динамического диапазона, расширение температурного диапазона применения в область от -55 °С и до +60 °С, повышение надёжности и увеличение срока работоспособности сенсора.
Актуальность работы.
Отсутствие естественных помех, обусловленных солнечной радиацией, низкий уровень фоновых помех в УФ-С диапазоне делает солнечно-слепой диапазон весьма привлекательным для приложений.
Его практическое освоение требует создания нового поколения универсальных монофотонных сенсоров в УФ-С диапазоне. С разработкой таких сенсоров связано решение широкого круга технических и технологических проблем. В частности, необходимо создание фильтров УФ-С диапазона, обладающих высокими селективными свойствами. Монофотонный режим работы сенсора предполагает регистрацию отдельных фотонов, что определяет его высокую радиационную чувствительность. Особенностями разработанного сенсора является способность определения угловых координат регистрируемого фотона УФ-С диапазона и определение (с точностью до 1 не) времени его прихода на фокальную-поверхность сенсора. Это обеспечивает сенсору уникальную возможность измерения, временной зависимости регистрируемого излучения и анализа этой зависимости. Таким образом, у созданного сенсора возникает инновационное качество — определение пространственно-временных особенностей. УФ-С источника излучения, что в значительной степени повышает его эффективность по сравнению с известными отечественными и зарубежными1 аналогами.
Эти свойства обеспечивают применение таких сенсоров в системах защиты воздушных судов от террористических атак с применением переносных зенитных комплексов.
Значимым применением монофотонного сенсора, в совокупности с методами обработки его выходной информации, является дистанционная' диагностика коронных разрядов с целью предупреждения возникновения аварий на подстанциях или на линиях электропередач (ЛЭП).
Разработанный сенсор может применяться, в системах, обеспечения посадки в сложных метеоусловиях воздушных судов, оснащённых маяками, излучающими в УФ-С диапазоне, что позволяет осуществлять навигацию самолётов и вертолётов как в дневное, так и в ночное время, и т. п.
Монофотонный сенсор является частью проекта малого космического аппарата «Астрогон-Вулкан» [1], где он выступает в-роли.безынерционного сенсора в составе прецизионных астродатчиков.
Ещё одно спутниковое применение сенсора — мониторинг состояния озонового слоя Земли. Измерение толщины, озонового слоя производится через измерение отражённого солнечного излучения на различных длинах волн в УФ диапазоне. В настоящее время для, этих целей используется американский прибор TOMS (Total Ozone Mapping Spectrometer).
Высокое временное разрешение прибора может также сыграть ключевую роль при разработке спутникового датчика вспышек, возникающих от стратосферных электрических явлений [2]. Прибор позволил бы не только регистрировать данные явления и фиксировать время их появления, но и изучать их пространственно-временную структуру.
В результате синхронного анализа выходного и отражённого потоков фотонов при активном режиме работы прибора, при наличии синхронною УФ-С подсветки наносекундными импульсами, можно получить ЗБ-изображение наблюдаемого объекта.
На основе данного прибора создана система активного ЗО-зрения для наблюдения неизлучающих объектов [3]. Система имеет стробирующий источник излучения, посылающий с некоторой частотой короткие УФ импульсы, а монофотонный сенсор регистрирует отражённое излучение, в результате чего формируется ЗБ-модель наблюдаемого объекта. Этот подход может стать основой создания интеллектуальных робототехнических систем на основе трёхмерного видения без традиционного в таких системах сканирования с существенно более высокой энергетической эффективностью.
Ещё одной проблемно-ориентированной задачей для монофотонного сенсора является мониторинг лесных пожаров. В рамках системы мониторинга лесных пожаров, которая также включает гиперспектрометр АСМГ-М [4], монофотонный сенсор является источником целеуказания ядра пожара.
Использование-УФ-В диапазона актуально в-системах радиационной безопасности для наблюдения слабой флуоресценции линий молекулярного азота в атмосфере.
Вышеизложенное свидетельствует об актуальности исследований, выполненных в диссертационной работе.
Цель работы.
Основной целью диссертационнойработы является создание монофотонного сенсора УФ-С диапазона с улучшенными характеристиками, обладающего повышенной чувствительностью и временным разрешением, способного функционировать в жёстких условиях применения и обладающего высокой надёжностью, а также разработка ключевых элементов промышленных технологий для. его массового производства.
Выбор цели исследования обусловлен потребностями перечисленных выше практических приложений в повышении дальности (чувствительности) обнаружения излучений, анализа их происхождения и оценки параметров, работоспособности в сложных условиях применения и функционирования без существенного изменения характеристик в течение длительного времени.
Анализ конструкции современных сенсоров показал, что основной потенциал улучшения их характеристик лежит, во-первых, в области создания оптических фильтров, обеспечивающих высокий уровень пропускания в рабочем диапазоне длин волн (30.50%) при чрезвычайно высоком уровне подавления паразитного видимого диапазона до 10″ 15 раз. Всё осложняется-тем, что такой перепад пропускания фильтра должен происходить на узком, участке спектра в 5. 10 нм. Во-вторых, монофотонный характер регистрации1 на уровне единичных фотонов предъявляет особенно повышенные требования к разработке электроники для достижения предельной чувствительности и быстродействия сенсоров.
Поэтому достижение поставленной* в диссертации цели лежит, в направлениях создания фильтров УФ-С диапазона с существенно^ улучшенными< характеристиками и совершенствованияэлектронных трактов*.
Основой построения фильтров оптического излучения, обеспечивающих подавление фонового излучения на 14. 16 порядков при пропускании в рабочем диапазоне 250.280 нм от 30%< и более [5], являются водорастворимые кристаллы сульфата никеля и сульфата кобальта, выращиваемые в кристаллизационных установках.
При этом кристаллы должны быть правильной структуры, не иметь свилей, включений посторонних веществ, отличаться высокой степенью оптической однородности, обладать температурной стабильностью, то есть относиться к совершенным кристаллам. Для построения реальных оптических систем размеры кристаллов должны превышать 5 см. Выращивание кристаллов требует нескольких месяцев, в течение которых должны поддерживаться стабильные условия роста.
Кристаллы выращиваются вкристаллизационных установках. На сегодняшний день управление кристаллизационными" установками осуществляется промышленными системами автоматического регулирования общего назначения (иногда их называют программируемые контроллеры). В связи с относительно большой продолжительностью роста кристаллов (до полугода непрерывного роста) принципиальное значение имеет надёжность аппаратуры. Использование коммерчески доступных программируемых контроллеров приводит к следующему:
• снижается общая надёжность системы в связи с низкой отказоустойчивостью контроллеров;
• усложняется процесс задания, измерения и контроля параметров роста кристаллов в связи с неудобным интерфейсом с пользователем и скудными средствами отображения информации;
• появляется необходимость дополнять систему измерительными и исполнительными устройствами, так как подобные системы не имеют их в своём составе;
• существенно увеличивается общая стоимость системы в связи с высокой стоимостью программируемых контроллеров;
• в ряде случаев имеет место недостаточная стабильность поддержания параметров роста.
Для преодоления этих недостатков в рамках диссертации была разработана и изготовлена специализированная система управления кристаллизационными установками, которая используется как система автоматизации при проведении научных экспериментов при разработке новых кристаллических материалов и как система автоматизации промышленной технологической линии при серийном выращивании кристаллов для монофотонных сенсоров.
Второе направление повышения характеристик монофотонных сенсоров, развиваемое в диссертации, — совершенствование электронных трактов — направлено на преодоление таких недостатков, как:
• высокий уровень шумов измерительных трактов;
• низкое временное разрешение при регистрации фотонов в. координат-но-чувствительных системах;
• нестабильная работа трактов в расширенном диапазоне температур;
• изменение характеристик регистрирующих монофотонных детекторов на микроканальных пластинах при изменении температуры;
• воздействие внешнего питанияна работу электронных узлов при использовании в промышленных применениях в условиях сильных электромагнитных помех.
Для исключения этих недостатков в диссертации проведена разработка:
• многоканального программируемого высоковольтного источника питания, обеспечивающего возможностьпрограммной оптимизации питания регистрирующего детектора на микроканальных пластинах и компенсацию температурного дрейфа параметров детектора и. их изменения при-старении;
• многоканального зарядочувствительного усилителя для: работы с регистрирующим детекторомУсилитель обладает высокой стабильностью параметров в широком диапазоне температур;
• тракта временных наносекундных измерений, синхронного с: коорди-натно-чувствительным трактоммногофункционального источника питания сенсора, обеспечивающего чистое питание электронных трактов и регулировку температурных режимов, встроенный контроль системы и фильтрацию внешних шумов в условиях повышенных электромагнитных помех.
Научная новизна работы.
1. Обоснован выбор основных направлений улучшения характеристик УФ сенсора за счёт:
• целенаправленного синтеза новых фильтрующих кристаллических материалов;
• введения узла наносекундных измерений;
• разработки программно-управляемых электронных модулей сенсора.
2. Определены требования к новым оптическим фильтрующим кристаллическим материалам, обеспечивающим пропускание в УФ-С диапазоне на уровне 30.50% при подавлении фонового излучения в Ю-15 раз.
3. Проведён анализ существующих систем управления установками для выращивания оптических фильтрующих кристаллических материалов, определены основные проблемы, препятствующие синтезу данных кристаллов.
4. Разработана концепция новой системы управления установками для выращивания кристаллов, обеспечивающей рост кристаллов с требующимися свойствами. Рассмотрены варианты схемотехнических решений, проведено их моделирование и оптимизация. Реализовано динамическое управление коэффициентами регулирования.
5. Исследованы пути устранения зависимости характеристик сенсора от температуры.
6. Разработана методика и управляющее программное обеспечение для улучшения временного разрешения до субнаносекундных значений за счёт совместной обработки информации от временного и координатного канала.
7. Найден способ увеличения более чем в 100 раз динамического диапазона фотоэлектронного умножителя за счёт стробирования фотокатода.
8. Определена необходимость создания программно-управляемого многоканального высоковольтного источника для фотоэлектронного умножителя.
9. Обоснована необходимость разработки модуля вторичного электропитания для обеспечения требуемых технических и эксплуатационных характеристик сенсора.
10. Создана концепция построения монофотонного сенсора ультрафиолетового-диапазона, способного вести регистрацию единичных фотонов со1 скоростью до 200 ООО соб./сек при уровне собственных шумов не более 80 соб./сек, обладающего временным разрешением на уровне 1 не, угловым разрешением 0,2 градуса при угле зрения 120 градусов и функционирующего в широком температурном диапазоне: от-55 до +60 °С.
11. На основе разработанной концепции был создан монофотонный сенсор, исследованы его характеристики, подтвердившие теоретические оценки.
Практическая значимость работы.
Созданный сенсор лёг в основу успешно выполненных четырёх опытно-конструкторских разработок и одной научно-исследовательской работы:
1. Гос. контракт № ГК-14−14−03/2010;11 от 15.03.2010.
2. Гос. контракт № 02.523.12.3004 от 06.08.2007.
3. Гос. контракт № АВ/06/461/РГА/К от 10.11.2006.
Начиная с 2010 года ведётся серийный выпуск разработанного сенсора.
Достоверность результатов работы.
Достоверность результатов работы подтверждается результатами экспериментальных лабораторных исследований, в ходе которых измерены основные параметры прибора и проведено их сравнение с расчётными, а также результатами полевых испытаний как на стационарных объектах, так и на борту воздушного носителя.
В частности, в 2005 году на электроподстанции Чагино в Москве за несколько недель до аварии, приведшей к серьёзным перебоям в электроснабжении Москвы и области, при помощи данного-сенсора было зарегистрировано мощное ультрафиолетовое излучение, свидетельствующее об износе электрооборудования.
Положения, выносимые на защиту.
1. Концепция построения и разработка монофотонного сенсора ультрафиолетового диапазона с улучшенными характеристиками и функционирующего в диапазоне температур от -55 до +60 °С.
2. Способ повышения статических характеристик координатно-чувствительного детектора: о соотношения сигнал/шум — в 100 разо разрешения — в 10 раз.
3. Способ увеличения динамического диапазона координатно-чувствительного детектора на два порядка.
4. Способ повышения временного разрешения монофотонного сенсора на два порядка.
5. Аппаратные и программные средства для модулей сенсора.
6. Концепция построения и разработка высокоточной и высоконадёжной системы управления кристаллизационной установкой.
Апробация работы.
Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на:
• Втором симпозиуме «Современная химическая физика», Туапсе, сентябрь — октябрь 2010 г.;
• Восьмой Всероссийской Открытой ежегодной конференции «Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса» Москва, ИКИ РАН, 15 — 19 ноября 2010 г.;
• Семинарах Института проблем механики им. А. Ю. Ишлинского РАН;
• Семинарах Института кристаллографии им. А. В. Шубникова РАН;
• Семинарах Научно-технического центра «Реагент».
Личный вклад автора.
Все работы, в которых опубликованы результаты диссертации, написаны в соавторстве с коллегами. Все оригинальные результаты, приведённые в диссертации и вынесенные на защиту, получены лично автором либо при его определяющем участии.
Лично автором созданы электронные узлы для монофотонного сенсора:
• многоканальный программируемый высоковольтный источник питания;
• узел стартового канала и зарядочувствительный усилитель для работы с координатно-чувствительным детектором;
• многофункциональный модуль электропитания для бортового варианта прибора пеленгации УФ излучения.
Также автором была разработана и успешно внедрена в процесс производства кристаллов специализированная система управления кристаллизационной установкой, на которую получен патент.
Структура диссертации.
Диссертация состоит из введения, четырёх глав, заключения, списка литературы. Она изложена на 147 страницах и содержит 18 таблиц, 99 рисунков и список литературы из 40 наименований.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
.
В заключение сформулируем основные результаты диссертационной рагы.
Создан многоканальный программируемый высоковольтный’источник питания, функционирующий в широком диапазоне температур, для работы с координатно-чувствительным детектором на основе фотоэлектронного умножителя. Работа включала в себя как создание аппаратной части, так и разработку низкоуровневого программного обеспечения для платы и управляющего программного обеспечения под ЭВМ. Использование данного источника позволило существенно оптимизировать работу координатно-чувствительного детектора, обеспечить стабильность его параметров и повысить время жизни.
Создан узел стартового канала и узел стробирования фотокатода. Последний обеспечивает сохранность чувствительного элемента и позволяет функционировать прибору в условиях чрезмерной световой интенсивности. Создан зарядочувствительный усилитель, функционирующий в широком диапазоне температур, для работы с координатно-чувствительным детектором, отличающийся высокой стабильностью параметров, малыми габаритами и низким энергопотреблением.
Создан многофункциональный модуль электропитания для бортового варианта УФ сенсора. Созданный модуль, имея обширные возможности диагностики и регулирования основных параметров, обеспечивает надёжное функционирование всех электронных узлов сенсора.
Разработана и внедрена в процесс производства кристаллов специализированная система управления кристаллизационной установкой. Данная система обладает высокой надёжностью, что подтверждается опытом непрерывной эксплуатации четырёх систем в течение одного года и более. С использованием этой системы была выращена серия совершенных кристаллов для оптических фильтров УФ сенсора, а на саму систему управления был получен патент на полезную модель (заявка № 2 010 138 473/05 (54 991)).
В результате использования данных разработок был создан время-координатно-чувствительный УФ сенсор, обладающий усовершенствованными техническими характеристиками (Табл. 18), а именно улучшены по сравнению с промышленными аналогами:
• чувствительность — в 10 раз;
• временное разрешение — в 100 раз;
• число регистрируемых событий увеличено до 200 000;
• поле зрения увеличено до 120 градусов.
Благодаря высоким техническим характеристикам разработанного сенсора имеется возможность его использования в таких приложениях, как защита воздушных судов от поражения ракетами, дистанционная диагностика высоковольтной изоляции, мониторинг состояния озона в стратосфере, изучение стратосферных электрических явлений, мониторинг лесных пожаров, трёхмерная локация, и в других промышленных, научных и специальных применениях.
Характеристика Значение.
Поле зрения, град 120.
Точность оценки координат точки, град. 0,2.
Временное разрешение, не 1.
Спектральный диапазон, нм 250.280.
Интенсивность шумовых фотонов со всей поверхности фотокатода, 1/с < 100.
Энергопотребление, Вт 30.
Соответствие требованиям ГОСТ для применения на борту авиационного судна Полное.
Рабочая температура, °С -55.+60.
Ресурс работы, ч 3000.
Внешний вид созданного УФ сенсора показан на Рис. 99.
Рис. 99. Внешний вид созданного УФ сенсора.
