автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.16, диссертация на тему:Специализированные высокочувствительные оптико-электронные информационно-измерительные устройства и системы для исследований однократных быстропротекающих и слабосветящихся процессов в экспериментальной физике



№

На правах рукописи

ЖАВОРОНКОВ Владимир Иванович

СПЕЦИАЛИЗИРОВАННЫЕ ВЫСОКОЧУВСТВИТЕЛЬНЫЕ ОПТИКО-ЭЛЕКТРОННЫЕ ИНФОРМАЦИОННО-ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ УСТРОЙСТВА И СИСТЕМЫ ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЙ ОДНОКРАТНЫХ БЫСТРОПРОТЕКАЮЩИХ И СЛАБОСВЕТЯЩИХСЯ ПРОЦЕССОВ В ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЙ ФИЗИКЕ

Специальность: 05.11.16 - Информационно-измерительные системы

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Москва - 1998 г.

Работа выполнена в Вятском государственном педагогическом университете в городе Кирове

Научный консультант:

доктор технических наук, старший научный сотрудник Рябинин Ю. А. Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Паньшин И.А.

доктор физ.-мат. наук, профессор Потёмкин В.В.

доктор технических наук, старший научный сотрудник Андриянов A.B.

Ведущая организация: НИИ математики и механики Санкт-Петербургского государственного университета.

Защита состоится /// 1998 г. в /// часов на заседании диссертационного совета Д 041.01.02 ВНИИ оптико-физических измерений по адресу: 103031, Москва, ул. Рожденственка, 27, учёный совет

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Всероссийского научно-исследовательского института оптико-физических измерений.

Автореферат разослан 1998 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, доктор технических наук,

старший научный сотрудник C.B. Тихомиров

Общая характеристика работы

Актуальность темы исследования. Оптико-элеюронные системы для измерения и регистрации пространственно-временных характеристик однократных быстропротекагощих и слабосветящихся процессов включают в себя осцилло-графическую и электронно-оптическую аппаратуру. Речь далее идет о двух направлениях исследования указанных процессов.

1. Для исследований однократных или редко повторяющихся физических процессов с малым уровнем сигнала (менее 1 В) в диапазоне длительностей 10"7 -ь 10"''с широко применяется скоростное осциллографирование на электроннолучевых трубках типа бегущей волны (ЭЛТБВ). Регистрация и измерение амплитудно-временных характеристик изучаемого физического процесса или явления любой природы осуществляются здесь на базе изучения электрических сигналов в реальном масштабе времени по каждой его посылке. В основе построения эта группа относится к электронно-измерительным системам.

2. Для регистрации и исследования сверхслабого (с уровнем освещенности 10"5лк) оптического излучения нестационарных и стационарных процессов в широком спектральном диапазоне от ультрафиолетовой (УФ) до ближней инфракрасной (ИК) области спектра используются электронно-оптические устройства, построенные на основе многокамерных электронно-оптических преобразователей (ЭОП) изображения. Интенсивность излучения изучаемого оптического явления здесь мала либо по причине кратковременного характера протекания процесса, либо по своей природе из-за малой мощности источника непрерывного излучения. В этом случае используется прямой метод измерения по оптическому излучению пространственно-энергетических характеристик изучаемого физического явления. По сути своей ЭОП является высокочувствительным и точным оптическим информационно-измерительным устройством, внедренным в исследуемый физический процесс.

Указанные системы и устройства имеют свою специфику в построении и принципе действия и одновременно обладают общими свойствами и объединяющими качествами.

При проведении исследований в ядерной физике, электронике СВЧ, импульсной технике, полупроводниковой радиоэлектронике, физике горения и взрыва, в области динамического нагружения твердых тел, в криоэлектронике на основе низко- и высокотемпературной сверхпроводимости, в области атмосферного электричества и других исследованиях регистрация однократных процессов длительностью- ÎO"7* 10""с часто является единственным способом познания сущности физических явлений. Весьма важная информация о таких процессах может быть получена с помощью скоростных осциллографов, построенных на широкополосных электронно-лучевых трубках типа бегущей волны (ЭЛТБВ), рассчитанных на воспроизведение электрических сигналов малой амплитуды (менее 1В) в диапазоне частот от нуля до нескольких сотен и тысяч мегагерц.

Потребность ведущих отраслей науки и техники в создании новых, более современных методов и средств радиотехнических измерений для обеспечения

: экспериментальных исследований поставили перед учеными-специалистами но»

вые проблемы по повышению быстродействия, увеличению чувствительности и точности измерений, расширению функциональности и автоматизации процесса обработки информации осциллографической аппаратуры, предназначенной для регистрации однократных и редко повторяющихся импульсных сигналов в нано-и пикосекундном диапазоне длительностей.

Основы методов регистрации однократных процессов заложены в работах И.О. Стекольникова, М.М. Филиппова, Н.С. Намана, Б.А. Уточкина, А.Ф. Денисова и других российских и зарубежных ученых. Прикладные вопросы импульсных измерений развиты в работах М.И. Грязнова, З.А. Вайнориса, Ю.А. Каме-нецкого' и др. C.B. Денбновецким и др. разработаны методы масштабно-временного преобразования однократных сигналов на базе запоминающих электронно-лучевых трубок (ЗЭЛТ). Ю.А. Рябининым, Э.Х. Херманисом, А.И. Найденовым развита теория вопросов стробоскопического преобразования

временного масштаба периодических сигналов. Разнообразие требований к ос-циллографической аппаратуре, являющейся наиболее совершенным средством преобразования информации об исследуемом процессе в форму, удобную для визуального наблюдения и измерения, привело к развитию ряда отдельных направлений исследований.

Однако отдельные методы измерений или не дают полной информации о сигналах (интегральный метод), или не позволяют реализовать точность измерения при регистрации каждой посылки сигнала, или непригодны для исследования неповторяющихся сигналов (стробоскопические), имеют сравнительно низкую чувствительность в диапазоне свыше 200 МГц, или достаточно сложны и непригодны по совокупности характеристик для решения измерительных задач, связанных с исследованием однократных сигналов.

Перспективным направлением при исследовании неповторяющихся сигналов является скоростное осциллографирование на ЭЛТБВ в реальном масштабе времени, осуществляющее регистрацию сигнала по каждой его посылке. Наибольший интерес при этом представляет измерение характеристик однократных сигналов малой амплитуды (милливольтового уровня) в диапазоне пикосекунд.

Однако развитие этого перспективного направления радиоизмерительной техники и недостаточно широкое распространение скоростных осциллографов этого диапазона было ограничено целым рядом причин.

Главная проблема в скоростной осциллографии на момент постановки работы заключалась в резком уменьшении интенсивности свечения осциллограммы однократного процесса длительностью короче 10'7с для универсальных осциллографов и длительностью менее 10''с для широкополосных скоростных.

Недостаточная скорость фотозаписи при осциллографировании указанных процессов приводила к невозможности регистрации изучаемого физического процесса любым известным способом, что существенно ограничивало диапазон регистрации бысгропротскаюших процессов.

Вторая проблема связана с относительно невысокой чувствительностью канала вертикального отклонения скоростного осциллографа и объясняется из-

вестным противоречием между полосой пропускания, скоростью фотозаписи и разрешающей способностью, с одной стороны, и чувствительностью отклонения, с другой. Это обстоятельство ограничивает амплитудный уровень исследуемых сигналов в лучшем случае значениями порядка 1 В.

В связи с вышеизложенным возникла первая актуальная проблема разработки и создания специализированной осциллографической аппаратуры, сочетающей в себе предельно возможные на определенном этапе времени быстродействие, высокую чувствительность и точность измерений в широком диапазоне частот для исследования однократных импульсных процессов нано- и пикосекунд-ной длительности в указанных областях физики, а также выполнения самих физических экспериментов.

Вторая актуальная задача заключается в разработке и создании электронно-оптических регистраторов слабосветящихся процессов.

Появление многокамерных электронно-оптических преобразователей (ЭОП) изображения послужило основой для разработки универсальной научной электронно-оптической аппаратуры и создания нового перспективного метода регистрации и измерения параметров быстропротекающих процессов. Электронно-оптические преобразователи являются основой техники прямых измерений однократных неповторяющихся процессов с разрешением во времени «10"ис и менее.

В настоящее время электронно-оптическая регистрация нестационарных и стационарных слабосветящихся процессов прочно вошла в исследовательскую практику как с позиции разработки самих методов и создания соответствующей научной оптико-электронной аппаратуры, так и широкого применения в:различ-ных областях физического эксперимента.

Широкий размах начали приобретать применение ЭОП и электронно-оптических усилителей яркости в ядерной физике, астрономии, в исследовании искрового разряда, высокоскоростной фотографии, физике плазмы, для измерения сверхслабых оптических сигналов, для визуализации оптического излучения

за пределами границ спектральной чувствительности глаза, а также в биологии и в др. областях.

По-прежнему актуальны задачи совершенствования методов и средств электронно-оптической регистрации, а также расширения областей их применения в научных исследованиях.

Поэтому проблема регистрации и исследования малых по интенсивности видимого и ИК-излучения физических объектов и процессов остается острой в физике твердого тела, автоионной и автоэлектронной микроскопии, физике газового разряда, оптоэлектронике, физике атмосферы и в других областях.

Все вышеизложенное свидетельствует об актуальности и важности проблем создания и совершенствования аппаратуры для исследования однократных быс-тропротекающих и слабосветящихся процессов для народного хозяйства и обороны страны.

Цель работы. Комплексная проблема, решению которой посвящена данная работа, заключается в разработке и создании научно-технической основы для аппаратурного исследования однократных быстропротекающих импульсных процессов нано- и пикосекундной длительности, а также слабосветящихся объектов, и базы ее применения в исследовательской практике перспективных научных направлений.

Диссертационная работа подводит итог исследованиям, выполненным автором в течение 30 лет в НИИ электронных приборов (г. Фрязино); в Проблемной радиофизической лаборатории МГПИ (г. Москва); в Вятском государственном педагогическом университете (г. Киров); в НИИ математики и механики ЛГУ (г. Ленинград) и посвящена решению следующих научных, научно-технических и методических задач:

— теоретического исследования и анализа методов повышения яркости осциллограмм на экране ЭЛТ СВЧ диапазона с точки зрения получения максимальных значений световой эффективности и разрешающей способности;

— разработки и создания широкополосных осциллографических ЭЛТБВ с высокой скоростью записи на основе применения волоконной оптики и ЭОП как внешних, так и встроенных в ЭЛТ;

— построения скоростной осциллографической установки для регистрации и исследования однократных и редко повторяющихся импульсных сигналов нано- и пикосекундной длительности;

— повышения чувствительности канала вертикального отклонения осциллографической установки путем предварительного широкополосного усиления исследуемого сигнала;

— регистрации и измерения однократных импульсных сигналов нано- и субнаносекундной длительности в милливольтовом диапазоне амплитуд;

— определения способов автоматического считывания осциллограмм с экрана ЭЛТ с помощью внешних ЭВМ и калибровки параметров установки;

— применения скоростного осциллографирования в научном физическом эксперименте;

— методологии построения электронно-оптических индикаторов на основе ЭОП;

е

— применения метода электронно-оптической регистрации для изучения слабосветящихся физических процессов в научных исследованиях;

— разработки методики, техники и вопросов применения электронно-оптической регистрации в учебном физическом эксперименте.

Это предопределило содержание работы, состоящей из двух частей, разделенных на семь глав.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Для осциллографических систем регистрации и измерения однократных импульсных сигналов и процессов в нано- и пикосекундном диапазонах длительности, с целью достижения предельных значений скорости фотозаписи, чувствительности к отклонению, разрешающей способности и точности в совокупности, целесообразно использовать:

а) встроенные в ЭЛТ фотоэлектронные усилители яркости,

б) волоконно-оптические планшайбы в качестве выходного экрана ЭЛТ,

в) внешние многокамерные электронно-оптические усилители яркости изображения, оптически связанные с трубкой.

Наилучшие результаты, с точки зрения экономичности при сохранении высоких качественных показателей, дает сочетание встроенных в ЭЛТ фотоэлектронных усилителей с применением волоконно-оптических планшайб.

2. Теоретические и экспериментальные исследования осциллографических систем на ТБВ с применением указанных устройств позволяют утверждать, что:

а) скорость фотозаписи может достигать 6-105км/с, что обеспечивает исследование и регистрацию однократных импульсных процессов длительностью 50+100 пс при уровне сигнала от 10 мВ;

б) при ширине линии луча 100 мкм может быть достигнута разрешающая способность 10лин/мм и точность амплитудных измерений, соответствующая погрешности ±5% при вышеуказанной скорости записи.

3. Показано, что на основе разработанных систем с высокой чувствительностью и скоростью записи возможно проведение уникальных физических экспериментов в нано- и пикосекундном диапазонах длительности, в частности возможно:

- исследовать эффекты влияния магнитного поля на процессы возбуждения колебаний в диодах Ганна с частотой колебаний 3 ГГц и более;

- проводить измерение времен релаксации неосновных носителей заряда в полупроводниках порядка 10"'°с;

- исследовать явления ударно-волнового воздействия импульсного электронного пучка на металлические преграды (сигналы милливольтового уровня);

- исследовать механизм взаимодействия импульсного лазерного излучения с металлическими преградами;

- исследовать явления релаксации в высокотемпературных сверхпроводниках; проводить измерение быстрой фазы релаксации («10""с).

4. Полученные теоретические и экспериментальные результаты позволяют утверждать, что при исследованиях и оптической регистрации слабосветящихся физических объектов с использованием многокамерных ЭОП, разработанные высокочувствительные устройства обеспечивают достижение предельно возможных значений коэффициента усиления яркости, низкого уровня шумов в широком спектральном диапазоне, высокой разрешающей способности, в совокупности, в том числе:

— значения коэффициента усиления яркости 106 раз;

— уровня шума 10"' электронов в секунду на разрешенный элемент в диапазоне 400+1500 нм;

— разрешающей способности 30 штрихов/мм.

5. Экспериментальные исследования позволяют утверждать, что достигнутые минимальные значения яркости обнаруживаемых (регистрируемых) физических объектов обеспечивают изучение нестационарных слабосветящихся и разрядных процессов в газах и на поверхности твердых тел с уровнем освещенности порядка 10"5 лк; явлений лавинного пробоя в быстродействующих фотодиодах, явления адсорбции, а также решение проблемы визуализации поля направлений в многоканальной системе обзора окружающего пространства и наблюдения физических объектов.

6. Заложенные методологические основы применения электронно-оптических преобразователей в разработанных учебных экспериментальных установках позволили углубить представление учащихся в области волновой оптики, квантовой оптики и ряда разделов атомной физики, обеспечили повышенную наглядность наблюдаемых процессов, что, таким образом, позволило:

— предложить новый метод визуализации слабых видимых и ИК-издучений излучений для демонстрации явлений дифракции и интерференции, основанный на предельно высокой чувствительности и предельно высоком коэффициенте усиления яркости;

— разработать цикл новых лекционных демонстраций и лабораторных работ по курсу общей физики для средних и высших учебных заведений с использованием созданных автором экспериментальных установок на основе ЭОП.

Научная новизна работы заключается в решении важной научно-технической проблемы создания оптоэлектронных информационно-измерительных систем с ранее недостижимыми в комплексе характеристиками по скорости записи, чувствительности, временному и амплитудному разрешению и автоматизации измерений в широком диапазоне амплитуд и длительностей и разработке методологии физического эксперимента с использованием таких систем для регистрации; и измерения параметров однократных быстропротекшощих и слабосветящихся процессов.

К наиболее важным новым научным результатам, полученным в диссертации, относятся следующие:

1. Предложены новые подходы к решению комплексной проблемы существенного повышения скорости записи, чувствительности и разрешающей способности осциллографической системы нано- и пикосекундного диапазонов.

2. На базе предложенных методов совместно с НИИЭПР и НИИПФ разработаны принципиально новые широкополосные осшшюграфические ЭЛТБВ с высокой скоростью записи на основе применения волоконной оптики и встроенных ЭОП.

3. Предложены и разработаны новые методы проведения физического эксперимента на основе высокочувствительных осциллографических систем с использованием разработанной аппаратуры, внедренной в эксперимент.

4. Предложены и разработаны устройства регистрации слабосветящихся объектов с ранее недости/шмым уровнем излучения светового потока.

5. Разработаны уникальные устройства регистрации (применительно к аппаратуре для слабосветящихся процессов).

6. Внедрены в учебный процесс новейшие научные достижения в области жепериментальной физики на основе использования информационных

• систем регистрации и измерения однократных быстропротекающих и слабосветящихся процессов.

Новизна основных положений диссертационной работы подтверждается авторскими свидетельствами на изобретения и приоритетными публикациями в научных журналах.

Практическая значимость и внедрение результатов работы. На основе диссертационной работы разработаны и созданы осциллографические устройства для регистрации и измерения однократных импульсных сигналов в диапазоне длительностей 10"7 н- 10'"с с милливольтовым уровнем амплитуд:

— Осцшшографическая установка на основе универсального осциллографа С1-97 и двухкамерного ЭОП типа 6ЭП21МГ для измерения однократных милливольтовых сигналов в диапазоне частот 0+350 МГц;

— осцшшографическая установка на основе скоростного осциллографа С7-15 и трехкамерного ЭОП типа У-72М<для регистрации и измерения однократных сигналов амплитудой менее вольта в диапазоне частот 0 + 5000 МГц.

Результаты диссертационной работы внедрены на ряде ведомственных предприятий бывших Министерств оборонной промышленности, Министерств общего и среднего машиностроения, электронной промышленности для обеспечения работ в соответствии с Постановлениями Правительства (см. Приказ МВ и ССО № 85 от 11 декабря 1989 года), а также в воинской части Министерства обороны для проведения испытаний технических средств на помехоустойчивость к электромагнитным воздействиям (в/ч 51105 г. Загорск, Моск. обл.).

Действующие экспериментальные образцы осциллографических устройств и электронно-оптических индикаторов используются в исследовательской практике ряда НИИ и вузов России и ближнего зарубежья в области регистрации однократных электрических и сверхслабых оптических процессов, в частности в НИИ Математики и механики Санкт-Петербургского университета, в Проблемной лаборатории атмосферного электричества и аэрозолей Тартуского госуниверситета.

Личный вклад автора. Все основные научные положения, выводы и рекомендации предложены соискателем. Кроме того, соискателем сформулированы основные идеи защищаемых методов, методик и критериев.

Впервые реализован способ кардинального увеличения скорости фотозаписи в скоростной осциллографии. Впервые показана возможность создания широкополосной ЭЛТБВ с экраном из стекловолоконного диска. Предложена конструкция широкополосной трубки, которая объединяет в одном объеме ЭЛТ и камеру усиления по току электронного изображения осциллограммы, что позволило более чем на порядок увеличить скорость фотозаписи осциллографических трубок. Разработано устройство регистрации скрытого оптического изображения на выходе многоканальной системы обзора.

Получены новые экспериментальные результаты при исследовании режимов работы импульсных магнетронов, исследовании влияния магнитного поля на возбуждение колебаний при эффекте Ганна; впервые показаны возможности использования ЭОП изображения в учебном физическом эксперименте.

Апробация работы. Основные положения работы были доложены и обсуждались на Всесоюзных и Всероссийских конференциях, Международных симпозиумах и конгрессах:

9, 10, 13, 14, 17, 18 Всесоюзных научно-технических конференциях «Высокоскоростная фотография, фотоника и метрология быстропротекающих процессов» (Москва: 1978,1981,1987, 1989, 1995, 1997 гг.),

Второй Всесоюзной научно-технической конференции по ЭЛП и ФЭП (Нальчик, 1967 г.),

Втором Всесоюзном Симпозиуме по атмосферному электричеству (Ленинград, 1984 г.),

Всероссийской конференции «Учебный физический эксперимент на рубеже ХХГ века» (Глазов, 1995 г.),

14 Международном Конгрессе по высокоскоростной фотографии и фотонике (Москва, 1980 г.),

Международном симпозиуме по электромагнитной совместимости (Санкт-Петербург, 1993 г.),

Международной конференции «Проблемы учебного физического эксперимента» (Глазов, 1996 г.),

Всесоюзном семинаре по теоретическим вопросам полупроводниковой электроники СВЧ (Москва, МГПИ, 1984 г.),

Технологическом семинаре (Фрязино, 1985 г.),

Региональной конференции «Научно-технический потенциал вузов - народному хозяйству» (Киров, 1989 г.),

Всероссийской конференции "Высокие технологии в радиоэлектронике" (Нижний Новгород, 1996 г),

23 Международном Конгрессе по высокоскоростной фотографии и фотонике (Москва, 1998 г.),

На научных семинарах Проблемной радиофизической лаборатории Московского госпединстчтута, лаборатории физической механики НИИ Математики и механики Ленгосуниверситета,

На итоговых научных конференциях и сессиях Кировского госпединститута и Вятского госпедуниверситета (Киров, 1972-1988; 1992-1998 гг.), Всего по теме диссертации сделало более 40 докладов. Работа получила апробацию также в ведомственных предприятиях, научно-исследовательских институтах и вузах при выполнении и защите 10 НИР, по которым диссертант был научным руководителем и ответственным исполнителем (см. Приложение).

За комплекс работ по исследованию и разработке нового метода осцилло-графической регистрации однократных сигналов нано- и пикосекундной длительности и создание нескольких модификаций скоростных регистраторов и внедрение их в исследовательскую практику ряда ведомственных, организаций и НИИ автор Постановлением ГК №80711 от 31.10.88 награжден серебряной медалью ВДНХ СССР в ¡988 г. по межотраслевой выставке «Изобретательство и рационализация -88».

За разработку и создание электроиио-оптического индикатора сверхслабого свечения автор отмечен золотой медалью ВДНХ СССР в 1987 г. по выставке «Научно-техническое творчество студентов педвузов» (Постановление №1015-Н от 21.10.87), а также серебряными медалями ВДНХ СССР (Постановления ГК №446-Нот 5.07.77 и №634-Н от 29.09.78),

Публикации. По теме диссертации опубликовано более 50 научных работ. Предложенные технические решения защищены авторскими свидетельствами на изобретения и медалями ВДНХ.

Структура н объем работы. Диссертация состоит из введения, двух частей, включающих семь глав, заключения, списка литературы и приложений.

Всего в диссертации 294 листов, из них 225 листов текста, 62 листа рисунков и 7 листов таблиц, библиография 215 наименований.

В приложении приведены акты внедрения результатов диссертации на 5 листах.

Основное содержание работы Во введении обосновывается актуальность работы, сформулированы цели, задачи, показана научная новизна исследований и практическая значимость работы; представлены основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе диссертации рассмотрено состояние теории и практики в области скоростного осциллографирования и измерения однократных импульсных процессов нано- и пикосекундного диапазонов длительности. Показано, что главным направлением развития скоростной осциллографии для регистрации процессов нано- и пикосекундной длительности является использование принципа бегущей волны для отклонения луча в осциллографических трубках. Сформулированы основные проблемы, решение которых позволит существенно повысить технические характеристики осциллографических измерительных систем и обеспечить дальнейший прогресс в данной области техники. В числе этих проблем наиболее важной является проблема повышения скорости записи однократных процессов при одновременном повышении чувствительности и точности систем в диапазоне пмкосекунд. Дан анализ существующих методов и проведена

оценка их эффективности. Наиболее перспективными методами являются сочленение камер ЭОП с ЭЛТ и использование волоконной оптики в ЭЛТ.

К заключении первой главы обоснованы цели и задачи данной диссертации.

Вторая глава посвящена вопросам разработки и создания широкополосной высокочувствительной осцилографической аппаратуры с высокой скоростью регистрации и обработки информации. Глава состоит из четырех разделов.

В пепвом разделе приведено теоретическое исследование и анализ наиболее перспективных методов повышения скорости записи электронно-лучевых трубок СВЧ диапазона (применение стекловолоконной оптики в ЭЛТ и использование электронно-оптических преобразователей как внешних, так и встроенных в ЭЛТ).

Рассмотрен вопрос о возможности получения максимальных значений световой эффективности указанных методов с точки зрения увеличения скорости записи осциллографических трубок. Проведена оценка световой эффективности этих методов и дано сравнение различных анализируемых схем регистрации с экрана осциллографической трубки.

Результаты исследования пб применению стекловолоконной оптики в осциллографической ЭЛТ показали, что этот метод позволяет увеличить световую эффективность системы регистрации более чем на порядок по сравнению с регистрацией с помощью линзовых проекционных систем.

Показано, что применение метода электронно-оптического усиления яркости осциллограмм на основе внешнего трехкамерного ЭОП позволяет увеличить световую эффективность регистрирующей системы на два-три порядка, а применение метода, основанного на непосредственном введении камеры ЭОП в электронно-лучевую трубку, дает выигрыш по яркости более чем на порядок относительно проекционной системы регистрации с экрана ЭЛТ.

Далее показано, что наиболее существенным требованием, предъявляемым к этим методам, наряду с высокими значениями световой эффективности, является также обеспечение достаточно высокого объема передаваемой инфор-

мации, который определяется прежде всего разрешающей способностью системы регистрации. С помощью аппарата пространственных частот и частотно-контрастных характеристик (ЧКХ) проведен анализ разрешающей способности метода, основанного на применении ЭОП, встроенного в осцйллогра-фическую трубку.

Этот анализ выполнен для ЭОП с фокусировкой однородным магнитным полем и ЭОП с переносом электронного изображения однородным электрическим полем как по элементам прибора (электронная линза, люминофор, оптический тракт «люминофор - слюдяная пластинка - фотокатод»), так и в целом для прибора.

Из графического анализа хода частотно-контрастных характеристик рассматриваемых электронно-оптических систем с двумя вышеуказанными способами фокусировки электронов эмпирически получены выражения предельной разрешающей способности в штрих/мм:

_ Е

1. N ] пред ~~7,8— (магнитная фокусировка);

с0

^ (1)

2- N2 пред.=-^^-( — I (прямой перенос),

где Е - напряженность электрического поля [В/мм]; Г,о - наиболее вероятная начальная энергия вылета электронов с фотокатода [эВ]; 2а-к- расстояние между фотокатодом и экраном [мм]; - анодный потенциал в плоскости экрана [В]. Показано, что предельная разрешающая способность люминесцентного экрана определяется из его графической частотно-контрастной характеристики следующей формулой:

м' п\ ■

^ л прел. — | > \ '

где И - толщина слоя люминофора [мм];

Для оптического тракга «люминофор - слюдяная подложка - фотокатод» предельная разрешающая способность определяется тем же выражением с заменой II па 11+Д1Г:

Р)

(п + п)'1

где п - показатель преломления подложки; И' - толщина подложки [мм].

В конце раздела в качестве примера приведены результаты исследования и дано сравнение по разрешающей способности двух вариантов конструкций встроенных ЭОП (с магнитной фокусировкой и с однородным электростатическим переносом изображения).

На основании анализа результирующей разрешающей способности прибора сделаны выводы, что наиболее целесообразным вариантом является осциллогра-фическая трубка с плоскопараллельным переносом развернутого во времени электронного изображения в секции усиления тока.

Изложенные в этой главе исследования показали, что наиболее эффективными методами повышения яркости осциллограмм ЭЛТ СВЧ диапазона в смысле ожидаемого результата (по скорости записи и разрешающей способности) и перспектив применения является сочленение камер ЭОП с однородным электростатическим полем с осциллографической трубкой и исследование волоконно-оптических элементов в качестве фронтального стекла ЭЛТ.

Второй раздел второй главы посвящен вопросам реализации методов повышения скорости записи скоростных ТБВ. Приведены результаты экспериментальных исследований по созданию широкополосных осциллографических приборов с отклоняющей системой типа бегущей волны, отличающихся от известных принципиально новым решением вопроса увеличения скорости записи, выполненных на основании проведенных выше результатов теоретического анализа методов повышения скорости записи ЭЛТ СВЧ диапазона.

Изложены результаты исследования по созданию электронно-оптической приставки на основе трехкамерного ЭОП типа УМ-92М с многошелочным входным фотокатодом и выходным экраном на люминофоре типа К-71. Применение внешнего ЭОП позволяет за счет компенсации оптических потерь при фоторегистрации увеличить на два порядка яркость однократной осциллограммы с экрана

ЭЛТ ЮЛ0Ю1М и тем самым пропорционально увеличить (повысить) скорость фотозаписи последней.

Описываются разработанные и изготовленные принципиально новые типы широкополосных осциллографических трубок, в которых используется метод электронного усиления яркости изображения. Первый тип трубки отличается от ранее созданных тем, что имеет встроенную в ЭЛТ камеру усиления по току с магнитной фокусировкой развернутого во времени электронного изображения. Предложенная осциллографическая трубка имеет скорость записи в 20+30 раз выше по сравнению с трубкой ЮЛОЮ1М. Абсолютная скорость записи указанной трубки составляет -2-104 км/с при использовании одной камеры усиления по току. Предложен второй тип осциллографической ТБВ с плоско-параллельным переносом электронного изображения в секции усиления по току. Показано, что второй вариант трубки, сохраняя преимущества первого варианта, имеет дополнительные достоинства из-за отсутствия магнитной фокусирующей системы и является наиболее перспективным в применении. Показана возможность промышленного выпуска такой трубки. Приведены результаты экспериментальных измерений коэффициента усиления по гоку, скорости фотозаписи, ширины линии осциллограммы созданных трубок.

Описана впервые созданная конструкция осциллографической трубки ТБВ с экраном на стекловолоконном диске для регистрации однократных электрических сигналов наносекундной длительности. Показано, что благодаря важному техническому усовершенствованию - переносу изображения осциллограммы с люминесцентного экрана на фотопленку через стекловолоконную планшайбу, регистрируемая скорость фотозаписи такой трубки более чем на порядок выше по сравнению с использованием линзовых систем.

Приводятся также результаты измерений основных характеристик (скорости записи и разрешающей способности) созданных приборов, которые находятся в хорошем соответствии с теоретическими результатами второй главы диссертации.

А именно, использование внешнего ЭОП типа УМ-92М совместно с осцил-лографической трубкой ЮЛОЮ1М позволило увеличить световую эффективность регистрирующей системы в 360 раз при синем свечении изображении на экране ЭЛТ (люминофор К-71) и на экране ЭОП (люминофор К-71), что достаточно близко к расчетному значению применяемого ЭОП, равному ~400. Показано, что разрешающая способность в этом случае определяется шириной линии осциллограммы на экране трубки, соответствующей 100+200 мкм, поскольку разрешающая способность применяемого ЭОП значительно выше и составляет ~30 штр/мм.

Результаты измерений коэффициента усиления по току и по скорости записи осциллографической трубки с встроенным ЭОП показывают, что при одной камере усиления удается реализовать скорость записи в 20+30 раз выше по сравнению с трубкой ЮЛОЮ1М. Предельная разрешающая способность осциллографической трубки с плоско-параллельным электрическим полем в секции усиления по току составляет 5,0 штр/мм ^^=10 мм) при расчетной разрешающей способности, равной 5,4 штр/мм.

И, наконец, осциллографическая трубка с волоконно-оптическим экраном обеспечивает измеренную скорость фотозаписи в 104-15 раз выше по сравнению с трубкой ЮЛОЮ1М при регистрации с помощью линзовой оптики и имеет равную ей разрешающую способность. Теоретическая оценка световой эффективности в этом случае дает выигрыш в ~15 раз.

Третий раздел второй главы посвящен описанию экспериментальной сверхскоростной осциллографической установки, предназначенной для физических исследований в области маломощной полупроводниковой СВЧ электроники. Показана возможность повышения чувствительности к отклонению установки с помощью изготовленного автором экспериментального широкополосного транзисторного СВЧ усилителя. Приведены результаты регистрации повторяющихся и непрерывных сигналов быстродействующих полупроводниковых приборов (диоды Ганна, параметрические и туннельные диоды), полученные при помощи этой установки.

Проведенные исследования по созданию различных вариантов скоростной осциллографической установки и выяснению возможностей ее работы показали, что экспериментальная установка позволяет:

1. Осуществить устойчивую синхронизацию'сверхвысокочастотных синусоидальных сигналов дй частот порядка 1,5 ГГц:

2. Увеличить скорость записи при фоторегистрации однократных быстро-протекающих процессов благодаря применению принципиально новых типов широкополосных осциллографических трубок типа бегущей волны в 20-30 раз.

3. Получить контрастные фотоосциллограммы однократных процессов при скорости записи более 3-Ю5 км/с с помощью электронно-оптической приставки к скоростному осциллографу. Это позволило на осциллографической установке зарегистрировать фронт высокочастотного однократного радиоимпульса генератора Ганна с несущей 1,7 ГГц.

4. Обеспечить визуальную и фотографическую регистрацию сигналов с амплитудными уровнями до десятых долей вольта от схем на быстродействующих полупроводниковых приборах (диоды Ганна, параметрические и туннельные диоды) в полосе частот от постоянного тока до 2 ГГц при непосредственной подаче исследуемого сигнала на трубку.

Показана возможность дальнейшего увеличения чувствительности при ос-циллографировании колебаний СВЧ путем предварительного усиления исследуемого сигнала. Реализованный четырехкаскадный транзисторный усилитель позволил увеличить чувствительность канала вертикального отклонения осциллографа в 12 -г- 15 раз в полосе частот 1 - 1000 МГц и довести коэффициент отклонения до -10 мВ/мм. Это дает возможность производить регистрацию сигналов с амплитудными уровнями до десятков милливольт и исследовать сигналы наносекундной длительности с уровнем мощности менее 10"6 Вт.

Отмечается, что описанный сверхскоростной осциллограф позволяет в принципе, при наличии соответствующих ЭЛТ, исследовать работу полупроводниковых приборов и систем более высоких частот вплоть до 5 ГГц и выше.

В четвертом разделе рассматриваются способы автоматического считывания осциллограмм с экрана ЭЛТ. Представлены структурные схемы: системы на основе ЭОУ яркости и телекамеры на видиконе, системы на основе электронной камеры с ПЗС и устройства для калибровки динамических характеристик сигнального канала ЭЛТБВ на основе диодов с накоплением заряда. Приведена оценка погрешности осциллографических измерений на ЭЛТБВ, не превышающей 10%. Приведены результаты формирования коротких прямоугольных импульсов на выходе различных вариантов схем обострителей.

В третьей главе рассмотрены вопросы применения скоростного осцилло-графирования при исследовании однократных импульсных процессов нано- и пикосекундной длительности.

Изложены результаты экспериментов по применению установки на базе ЭЛТБВ с ЭОП для исследования однократных радиоимпульсов с несущей частотой, соответствующей 10-и и 3-х см диапазонам. Наблюдения позволило изучить процессы установления колебаний магнетронного генератора в начальной стадии возбуждения. На отдельных участках осциллограммы можно видеть колебания значительно более низкой частоты, чем в установившемся режиме, т.е. в средней части радиоимпульса. Кроме того, наблюдались искажения формы синусоидального сигнала в самой отклоняющей системе ТБВ, обусловленные влиянием поля поверхностной волны на электронный пучок. Оценочный расчет подтверждает данное объяснение процесса. Наблюдаемое явление позволяет установить влияние погрешности самого инструмента исследования.

Сочетание высокой чувствительности с широкой полосой пропускания и большой скоростью записи экспериментальной установки дозволило регистрировать однократные радиоимпульсы генераторов Ганна с несущей частотой «2 ГГц при амплитуде сигнала порядка десятых долей вольта. Исследование имело целью определить характер возбуждения и оценить время установления колебаний в однократном режиме (непосредственно после включения питающего импульса). При этом обеспечивается получение более полной информации об

изучаемом физическом явлении, его динамике, чем при других методах исследования.

В частности, установлено, что при генерации колебаний на основе эффекта Ганна в присутствии магнитного поля происходит повышение когерентности колебаний при одновременном увеличении амплитуды и уменьшении частоты колебаний в случае напряжения на образце, несколько превышающем пороговое. Аналогичные эффекты наблюдались ранее, однако результаты этих исследований получены с помощью анализатора спектра и не давали исчерпывающей информации о времени происходящих процессов в диоде Ганна.

Установлено, что при определённом значении поперечного магнитного поля (Вх«0,5 Тл) и напряжении на образце и=50 В (пороговое напряжение ит~50 В) происходит фазовая стабилизация ганновских колебаний. При этом частота колебаний уменьшается на 15 МГц.

Далее показана возможность высокоэффективного исследования осцилло-графическим методом радиоизлучения предгрозовых разрядов в атмосфере при наносекундной длительности импульсов.

Это позволяет определить начальную стадию образования грозовых облаков и принять оперативные меры для оповещения соответствующих служб.

Описана блок-схема канала осциллографической фоторегистрации однократных импульсов акустического отклика при воздействии импульсного излу-

1аЗ От

чения лазера на металлы при плотности 10—

мм"

В работе показано, что совместное использование универсального осциллографа С1-74 и двухкамерного ЭОПтипа 6ЭП21МГ позволяет более чем на порядок увеличить скорость фотозаписи исследуемого сильно неравновесного явления при сохранении качества изображения осциллограмм изучаемого процесса одновременно по двум сигнальным входам. Некоторые результаты эксперимента по исследованию взаимодействия мощного оптического излучения с металлами за время 10'7-И0"8 с позволяют:

- уменьшить погрешность измерения между отдельными импульсными процессами до Зч~5 не;

- обеспечить погрешность измерения амплитудно-временных характеристик ударно-волнового процесса по двум сигнальным входам не более 10%.

В этой главе также приведены результаты изучения ударно-волновых процессов при импульсном нагружении материалов сильноточным электронным пучком. Полученные осциллограммы импульсов давления, возбуждаемых в алюминиевой мишени (образце) толщиной 1 мм сильноточным электронным пучком, и интерферограммы смещения во времени тыльной поверхности этого же образца позволяют судить о динамике процесса. Параметры зондирующего импульсного электронного пучка ускорителя следующие: кинетическая энергия электронов Е~ЪЛ02 кэВ, ток пучка/-10 кА, длительность импульса тц~30+50 не.

Осциллографическая регистрация в этом случае позволяет измерить амплитудные и частотно-временные характеристики ударной волны, а также обеспечивает высокую точность по времени и координате измерения формы профиля ударной волны, что является важным для анализа тонких эффектов изменения формы волны при ее рас* устранении по материалу. Кроме того, немаловажным является отожествление формы волны с расчетными результатами, полученными на ЭВМ, т.е. использование экспериментальных данных в качестве тестовых.

Метод скоростного осциллографирования также был использован для регистрации неравновестного процесса, возникающего на образце из высокотемпературной сверхпроводящей керамики системы УВаСиО в результате воздействия на него кратковременного лазерного импульса (тл=10-г20 пс) с частотой следования до нескольких герц. Наблюдалась динамика процесса возбуждения образца (переход его из сверхпроводящего состояния в резистивное) и процесса последующей релаксации в материале образца (обратный переход из резистивного состояния в сверхпроводящее) при Т- -77 К по результатам проведенного эксперимента в ПРФЛ при МПГУ. Было измерено время фонон-элекгронной релаксации («всплеск» на вершине импульса) т,, ,., < 100 пс, что соответствует теоретической оценке происходящего процесса. Затем фиксировался более медленный процесс

возвращения в исходное сверхпроводящее состояние (за счет теплового обмена в исследуемом образце) с тт ~ 4 не.

Вторая часть диссертации посвящена вопросам электронно-оптической регистрации и исследования слабосветящихся оптических явлений в физическом эксперименте. Данное научное направление базируется на применений многокамерных электронно-оптических преобразователей изображения. Оптико-электронная аппаратура, построенная на их основе, позволяет осуществить регистрацию и изучение явлений в широком спектральном диапазоне, которые имеют импульсный характер или сопровождаются сверхслабым непрерывным излучением.

Четвертая глава посвящена анализу современного состояния по разработке электронно-оптической аппаратуры. Проведен обзор литературы с точки зрения задач физики и техники регистрации и измерения параметров быстро протекающих оптических процессов. Показано, что в настоящее время метод электронно-оптической регистрации прочно вошел в исследовательскую практику как с позиции разработки самого метода и создания соответствующих устройств, так и широкого применения в различных областях науки и техники. Особенно актуальными являются вопросы электронно-оптической регистрации в области ядерной физики, физики твердого тела, физики плазмы, лазерной техники, ИК-техники, астрономии и во многих других областях.

В пятой главе рассмотрены вопросы методологии построения электронно-оптических индикаторов сверхслабого оптического и ИК-излучения на основе ЭОП. Дается описание различных вариантов электронно-оптических индикаторов, созданных на основе трехкамерных ЭОП с магнитной и электростатической фокусировкой электронного изображения. Показана специфика данной аппаратуры, отличающей ее от аналогичной промышленной аппаратуры. Отмечены достоинства действующих макетов индикаторов: простота в схемном и конструктивном исполнении, удобство в работе, доступность для экспериментатора и др.

Разработана система автоматизированной обработки изображений, включающая аппаратуру и программное обеспечение для количественной обработки

оптических изображений. Система позволяет повысить эффективность диагностики поверхности твердого тела как в лабораторных, так и в производственных условиях.

Проведен анализ канала приема и передачи при электронно-оптической регистрации слабосветящихся процессов и дана теоретическая оценка физического временного разрещения, результаты которого свидетельствуют о возможности регистрации импульсных явлений длительностью Ю'10 -г- Ю'ы с, что по времен- ' ному разрешению значительно превосходит осциллографический метод регистрации. Полученные результаты свидетельствуют о том, что регистрирующие устройства, построенные на описанном выше оптико-физическом методе, могут быть весьма полезными инструментами при оптических исследованиях сверхслабых световых и ИК-излучений физических объектов в диапазоне пикосекунд идаже частично в фемтосекундном диапазоне...

,, В шестой ■ главе рассмотрены новые применения электронно-оптических .устройств регистрации в научных исследованиях. Описано устройство для регистрации импульсных автоэлектронных изображений поверхности твердого тела трехкамерным ЭОП У-72М. Электронно-оптическая регистрация позволила

V

уменьшить электростатические силы, ответственные за миграцию электроположительного адсорбата по поверхности, и автоэлектрорный ток, определяющий тепловой режим работы эмиттера, что дает возможность исследовать нестационарную адсорбцию при однократной подаче на эмиттер импульсов длительностью -1 мкс. Применение ЭОП позволило наблюдать эволюцию адсорбционного заполнения на поверхности вольфрамового эмиттера при взаимодействии с пучком ионов калия и натрия.

В качестве анализатора углового распределения фотонов электрон-позитронной аннигиляции предложено использовать электронно-оптический преобразователь, снабженный сцинтнллятором и работающий в режиме временного затвора. Рассмотрена общая функциональная схема анализатора и проанализированы особенности работы отдельных узлов. Предлагаемый анализатор позволяет усовершенствовать метод измерения углового распределения аннигиля-

ционных фотонов (повысить точность определения координат фотона, упростить систему обработки информации), лежащий в основе многочисленных работ по исследованию электронной структуры вещества.

Разработан и применен метод электронно-оптической регистрации для изучения механизма возникновения ВЧ газового разряда, который позволяет проводить исследования с высоким пространственным (размер разрешаемого элемента 30 мкм) и временным (-Ю10 с) разрешением.

Представлены экспериментальные результаты по исследованию явления пробоя в полупроводниковых лавинных фотодиодах. Разработана аппаратура, выходным элементом которой является индикаторное устройство на основе многокамерного ЭОП типа УМ-92МС. При помощи визуальных наблюдений излучения из рабочей площадки фотодиодов установлено, что в начале развития пробоя всего р-н перехода происходит почти одновременное зарождение совокупности «быстрых» микроплазм, имеющих близкие напряжения пробоя, которые сопровождаются возникновением избыточных шумов переключения этих микроплазм.

Экспериментальные результаты наблюдения показывают, что возникновение большого числа микроплазм с близкими напряжениями пробоя в статическом режиме соответствуют резкому возрастанию шумов в начальной стадии пробоя всего р-п перехода фотодиода. В динамическом режиме свечение рабочей площадки более равномерно по сравнению со статическим режимом, что приводит к значительному подавлению избыточных микроплазменных шумов.

Представлены результаты разработки экспериментальной установки антенной системы параллельного обзора пространства, на выходе которой формируется скрытое оптическое изображение. Визуализация этого изображения производится при помощи электронно-оптического преобразователя, осуществляющего усиление сигналов параллельно по всем каналам системы. Показано, что применение многокамерного ЭОП позволяет исключить из схемы соответствующее число каскадов усиления, увеличить чувствительность устройств радиоснстемы, что является несомненным преимуществом для многоканальной системы обработки информации.

Разработан метод фоторегистрации траекторий движения аэрозольных частиц с помощью лазера и электронно-оптического преобразователя. Метод позволяет резко упростить задачу расчета импакторов и их оптимизацию. Установлено также, что метод обеспечивает оценку дисперсного состава аэрозоля (в смысле чисел Стокса 81-отношения кинетической энергии частицы к работе внешних сил) и, следовательно, может служить ключом в решении важных задач геофизики и физики атмосферы.

Седьмая глава посвящена применению результатов научных исследований в учебном физическом эксперименте.

На основе созданных устройств электронно-оптической регистрации разработаны учебные установки для визуализации тепловых электромагнитных излучений в ближней ИК-области спектра и изучения физических свойств и явлений сверхслабого видимого излучения.

Показаны возможные пути реализации и постановки новых лекционных демонстраций, разработки лабораторных работ и опытов по курсу общей физики на основе использования современных многокамерных ЭОП изображения.

Приведены результаты работы по созданию экспериментальных учебных

е

установок на базе двух- и трехкамерных ЭОП и разработаны методики их применения для регистрации сверхслабого видимого и ИК- излучения с целью постановки лекционных демонстраций, лабораторных работ и новых опытов по курсу общей физики.

Приводится описание новых экспериментальных установок для контроля и оценки температуры поверхности нагретого тела в интервале (200°-700С) С, изучении корпускулярных свойств световых волн и др.

В заключении подведены основные научные и практические результаты работы:

1. На основе анализа потребностей ряда областей физики и техники, с учетом перспектив развития этих областей, разработана концепция построения ос-циллографических систем регистрации и измерения однократных импульсных сигналов и процессов в нано- и пикосекундном диапазонах длительности, бази-

рующаяся на использовании внешних и встроенных в ЭЛТ электронно-оптических усилителей и волоконно-оптических устройств.

2. Дано теоретическое обобщение теоретических и экспериментальных результатов в области скоростного осциллографирования: предложены новые подходы к решению комплексной проблемы изучения однократных процессов нано-и пикосекундной длительности, определяющие реальную возможность наблюдения и регистрации таких процессов на основе достигнутых значений скорости фотозаписи, полосы пропускания и чувствительности разработанных устройств в совокупности.

3. Разработаны экспериментальные осциллографические системы на базе ЭЛТ типа бегущей волны с применением электронно-оптических усилителей и волоконно-оптических устройств, встроенных в ЭЛТ, с уникальными техническими характеристиками по скорости фотозаписи и чувствительности, в совокупности, что позволяет говорить о приоритете страны в этом направлении и превышении по этим характеристикам мирового уровня.

4. На основе многочисленных экспериментов в перспективных областях электроники СВЧ, физики и техники полупроводников, квантовой электроники и физики сильно неравновесных процессов в механике твердых сред показано, что применение разработанных устройств, установок и систем приведет к новым научным результатам в этих областях.

5. В результате анализа современного состояния вопросов регистрации и исследования слабосветящихся процессов в нано- и пикосекундном диапазонах в ряде областей экспериментальной физики предложены новые подходы к их решению, основанные на применении усовершенствованных электронно-оптических индикаторов и разработанных методик.

6. Разработаны и изготовлены несколько вариантов электронно-оптических индикаторов на основе применения трехкамерных ЭОП с магнитной и электростатической фокусировкой электронного изображения. Построенная аппаратура и разработанные способы регистрации слабосвстящихся процессов позволяют на три порядка увеличить яркость изображения изучаемого физического объекта в

широком спектральном диапазоне. Установлено, что физическое временное разрешение электронно-оптического метода превосходит все другие известные методы.

7. Показано, что оптический индикатор на основе трехкамерного ЭОП одновременно сочетает в себе предельную эффективную светосилу и низкий уровень собственных шумов и имеет большие перспективы использования при исследовании физических явлений в нано-, пико- и фемтосекундном диапазонах длительности.

Экспериментально подтверждена высокая эффективность применения электронно-оптического метода исследования нестационарных слабосветящихся объектов в физике газового разряда, при изучении явления лавинного пробоя в фотодиодах, явления адсорбции на поверхности твердого тела, при визуализации поля радионаблюдения и др.

8. Предложены и разработаны методологические основы применения специализированных установок на ЭОП в учебном физическом эксперименте, включая:

- создание экспериментальных учебных установок и методик их применения в демонстрационном эксперименте;

-предложения о постановке новых физических демонстраций и опытов.

Использование этих установок в учебном процессе способствовало наглядности представления физических явлений и в большей степени усвоению изучению сущности изучаемого студентами физического эффекта.

9. Важность поставленных в диссертации задач подтверждена Постановлением Правительства (приказ МВ и ССО РФ № 85 от 11.12.89г.) о проведении работ, результаты которых нашли отражение в диссертации.

Результаты диссертационной работы использованы на ряде ведомственных предприятий бывших Министерств оборочкой промышленности, общего и среднего машиностроения, электронной промышленности, а также Министерства обороны.

10. Таким образом, на основе теоретического обобщения и новых подходов в работе ..решена важная научно-техническая проблема аппаратурно-мстодологического обеспечения исследований однократных быстропротекаю-щих и слабосветящихся процессов в полупроводниковой электронике, технике СВЧ, оптоэлектронике, физике твердого тела, автоионной и автоэлектронной микроскопии, физике газового разряда, ИТС-технике, физике атмосферы и др. областях. '

Список работ, опубликованных по теме диссертации

1. Гусельников B.C., Жаворонков В.И., Тарасов П.А. Широкополосная осцилло-

графическая трубка для регистрации слабых однократных электрических сигналов //Приборы и техника эксперимента. - 1967.- №1, с. 122-124.

2. Филиппов М.М., Букин А.Н., Жаворонков В.И. Осциллографирование радио-

импульсов с несущей СВЧ диапазона // Приборы и техника эксперимента.-1967.-№3, с. 88-92.

3. Гусельников B.C., Жаворонков В.И., Тарасов П.А. Осциллографическая СВЧ

трубка. - Авторское свидетельство №230858. 1968. - Бюллетень №35.

4. Тарасов П.А., Жаворонков В.И. Осциллографическая трубка с планшайбой из - стекловолокна для регистрации однократных электрических сигналов нано-

секундной длительности // ПТЭ.- 1968.г №6, с. 114-116.

5. Жаворонков В.И. Осциллографирование колебаний сверхвысоких частот в по-

лупроводниковых приборах // ПТЭ.- 1972.- №3, с. 132-135.

6. Жаворонков В.И., Изгагин Л.Н., Шварц Н.З. Транзисторный усилитель СВЧ с

. полосой пропускания 1 * 1000 МГц // ПТЭ,- 1972,- №3, с. 134-135.

7. Жаворонков В.И., Чиликин П.И., Жаворонков С.И. Осциллографическая уста-

новка для исследований в области полупроводниковой СВЧ электроники // ПТЭ,- 1973,-№2, с. 151-154.

8. Цыганенко В.В., Лачашвили P.A., Ващешок H.H., Жаворонков В.И. и др. Раз-

решающая способность электронно-оптического усилителя яркости изображения // ВИНИТИ, 1973, №3, с. 253. '

9. Жаворонков В.И. Специальная тема - Дис. Канд. Физ.-мат. Наук - М., МГПИ,

1973,- 189 с.

10. Гусельников B.C., Жаворонков В.И., Тарасов П.А. Осциллографическая СВЧ

трубка. - Авторское свидетельство №269979, 1974. - Бюллетень №43. 1 1. Жаворонков В.И., Филиппов М.М. Электро!то-оптическая приставка для фоторегистрации однократпых осциллограмм // ПТЭ,- 1975,-№2, с. 143-144.

12. Жаворонков В.И., Эткин B.C. Исследование влияния магнитного поля на ге-

нерацию СВЧ колебаний при эффекте Ганна // Радиотехника и электроника. - 1975,-т. XX, №11, с. 2416-2417.

13. Жаворонков В.И., Жаворонков С.И., Чиликин П.И. Электронно-оптическая

приставка для скоростного сверхвысокочастотного осциллографа // ПТЭ. 1975,-№6, с. 268.

14. Жаворонков В.И., Жаворонков С.И. Электронно-лучевой индикатор для ис-

следования слабого свечения // ПТЭ.-1976,- №5, с. 294.

15. Жаворонков В.И., Жаворонков С.И., Чиликин П.И. Электронно-оптическая

приставка для фоторегистрации осциллограмм однократных и редко повторяющихся сигналов // Электронная техника.- Серия 8, Управление качеством и стандартизация, 1976,- вып. 10, с. 127-130.

16. Жаворонков В.И., Жаворонков С.И. Обостритель импульсов наносекундной

длительности //ПТЭ.- 1976, №6, с. 228.

17. Васильев A.A., Жаворонков В.И., Любимова Т.Ф., Мансуров А.Н., Николаев

В.А., Эткин B.C. О формировании поля направлений в реальном масштабе времени с помощью параметрических усилителей типа модулятор-демодулятор // в кн.: Радио и акустическая голография. - Л.: 1978, с. 99-107.

18. Жаворонков В.И., Эткин B.C. Осциллографирование однократных процессов

в СВЧ генераторах Ганна // Электронная техника. - Серия 1. Электроника СВЧ. - 1977,- вып. 3, с. 55-57.

19. Жаворонков В.И. Увеличение скорости записи широкополосных осциллогра-

фов // ПТЭ,- 1978,- №1, с. 220-221.

20. Гусельников B.C., Жаворонков В.И., Жаворонков С.И и др. Применение электронно-оптического преобразователя для индикации сигналов // ПТЭ,-1978,-№4, с. 163-164.

21. Жаворонков В.И. Высоковольтный преобразователь напряжения на 50 кВ //

Информ. лист. ЦНИТИ - Киров,- 1980.-№1, 4 с.

22. Aints М.Н., Zhavoronkov V.l., Haljaste A.Y.. An Indicator for optical investiga-

tions of weakly luminous objects.- ACTA et COMMENTATIONES UNIVERSI-ATIS TARTUENSIS, 1980, V. 534, p. 106-110.

23. Бакулин B.H., Жаворонков В.И. Осокин К.П. и др. Электронно-лучевой инди-

катор ядерного излучения // Информ. лист, о НТД. ЦНТИ- Киров,- 1980,-Серия 13, №80-3, Зс.

24. Антонов A.A., Ведерников В.В., Жаворонков В.И. и др. ЭОП-регистратор не-

стационарных адсорбционных явлений на поверхности металлов // Труды 14 Международного конгресса по высокоскоростной фотографии и фотонике. М.: 1980, с. 600-602.

25. Жаворонков В.И., Ведерников В.В., Панасенко В.И. Индикатор для исследо-

вания слабосветящихся объектов // ПТЭ.- 1981.- №4, с. 264,

26. Антонов A.A., Жаворонков В.И., Ведерников В.В. и др. Устройство для реги-

страции импульсных автоэлектронных изображений с помощью элекгронно-оптического преобразователя // Тез. Докл. 10 Всес. Науч.-техн. Конф. «Высокоскоростная фотография и метрология быстропротекающих процессов». М.: ВНИИОФИ,- 1981, с. 25.

27. Жаворонков В.И., Жаворонков С.И. Электронно-оптический индикатор //

Лучшие конструкции 28-ой выставки творчества радиолюбителей,- М.: ДОСААФ, 1981, с. 146-147.

28. Жаворонков В.И., Манохин С.П., Антоне® А.А. и др. Электронно-оптическая

регистрация нестационарной адсорбции на поверхности металлов // ПТЭ.-1982,-№6, с 120-123.

29. Жаворонков В.И., Мокрушин А.Д., Бакулин В.Н. и др. Анализатор углового

распределения антигиляционных фотонов на основе электронно-оптического преобразователя//ПТЭ,- 1983.- №1,с. 31-33.

30. Жаворонков В.И., Сижажев С.М. Осциллографическая регистрация импуль-

сов радиоизлучения грозовых облаков // Труды 2 Всесоюзного симпозиума «Атмосферное электричество». Л: Гидрометеоиздат. - 1984, с. 161-162.

31. Жаворонков В.И. Осциллографическая фоторегистрация субмикросекундных

ударных процессов в металлах И Прикладные методы механики ВИНИТИ.-М.: МФТИ,- 1986, с. 63-67.

32. Жаворонков В.И., Мансуров А.Н. Применение электронно-оптического пре-

образователя в демонстрационном эксперименте по курсу общей физики // Известия вузов. Сер. Физика.- 1986,- №7, с. 112-114.

33. Жаворонков В.И. Электронно-оптический индикатор слабого свечения // Ин-

форм. лист.: ЦНТИ. Киров- 1987. Вып. 24.- №141,2 с.

34. Жаворонков В.И., Осокин К.П., Сюткин В.М. и др. Фоторешстрация траек-

торий движения частиц с помощью лазера и электронно-оптического преобразователя // Тез. Докл. 13 Всесоюзной научн.-техн. Конф. «Высокоскоростная фотография, фотоника и метрология быстропротекающих процессов.» М.: ВНИИОФИ. -1987, с. 179.

35. Жаворонков В.И. Высоковольтный преобразователь напряжения //Информ. лист.: ЦНТИ. Киров - 1987. вып. 24.-№5, 2с.

36. Жаворонков В.И. Регистрирующее устройство к скоростному осциллографу //

Информ. лист.: ЦНТИ. Киров,- 1988. Вып. 24,- №88,3 с.

37. Егоров Н.В., Жаворонков В.И., Карпов А.Г. Автоматизированная система об-

работки изображений при диагностике поверхности твердого тела // Тез. Докл. 14 Всес. Науч.-техн. Конф, «Высокоскоростная фотография, фотоника и метрология быстропротекающих процессов». М.: ВНИИОФИ,- 1889, с. 135.

38. Жаворонков В.И. Возможности скоростного осциллографирования однократ-

ных процессов нано- и пикосекундной длительности // Тез. Докл. Конф. «Научно-технический потенциал вузов - народному хозяйству». Киров.: Кир. ПИ, 1989, с. 65.

39. Жаворонков В.И. Автоматизированная установка записи и обработки одно-

кратного процесса с экрана скоростного осциллографа // Информ. лист.: ЦНТИ. Киров- 1990. Вып. 24,- №90-11,4 с.

40. Жаворонков В.И., Мансуров А.Н. О возможностях применения электронно-

оптического преобразователя в демонстрационном эксперименте // Сб. На-учно-методич. Статей. Физика. Вып. 16. М.: изд. МПИ. 1991, с. 48-50.

41. Жаворонков В.И., Иванов JI.H., Коваленко СЛ., Ушаков Д.И., Чикуров А.В

Анализ отечественных средств регистрации однократных импульсных сиг налов // Методы и средства измерений. Сб. Научных докладов Междуна родного симпозиума по электромагнитной совместимости. С.-Петербург ГЭТУ, 1993. ч. 2, с. 542-543.

42. Жаворонков В.И. Учебная установка для регистрации сверхслабого свечеию

физических объектов в видимой и инфракрасной областях спектра // Сб Научно-методических работ. Проблемы учебного физического эксперимента. Вып. 1, Глазов. ГТПИ. 1995, с. 60-61.

43. Жаворонков В.И. Скоростное осцшшографирование однократных неповто-

ряющихся процессов в пикосекундном диапазоне // Тез. Докл. 17 Всесоюз, Науч.- техн. конф. Высокоскоростная фотография и фотоника. М.: ВНИИО-ФИ,- 1995, с. 40.

44. Жаворонков В.И. Метод электронно-оптической регистрации неповторяющихся процессов с экрана осциллографа // Информ. лист. ЦНТИ. Киров. Вып. 24,-1996,-№22,3 с.

45. Жаворонков В.И. Устройство для увеличения скорости фотозаписи осцилло-

графов СВЧ диапазона// Информ. лист. ЦНТИ. Киров. 1996. Вып. 24,- №32, 3 с.

46. Жаворонков В.И. Специальная радиоизмерительная техника. Научно-технический сборник, г. Н. Новгород: 1966, с. 32-37.

47. Жаворонков В.И. Оптико-физические методы И средства регистрации одно-

кратных быстропротекающих и слабосветящихся процессов // Вестник ВВО АТНРФ, Сер. Физико-математические основы наукоемких технологий, г. Н. Новгород: 1996, №2, с. 162-168.

48. Жаворонков В.И., Морозов В.А.* Осциллографический метод измерения ха-

рактеристик ударно-волновых процессов II Измерительная техника.- 1996.-№10, с. 43-44.

49. Жаворонков В.И. Электронно-оптический метод регистрации корпускуляр-

ных свойств световых волн //Сб. научных и методических работ. Проблемы учебного физического эксперимента. Глазов: ГГПИ, 1996, вып. 2, с. 50-52.

50. Жаворонков В.И. Осциллографическая регистрация однократных импульсных процессов нано- и пикосекундной длительности // Вестник ВВО АТН РФ, Сер. Радиоэлектронные измерения и метрология, г. Н. Новгород: 1997, №3, с. 24-28.

51. Жаворонков В.И. Электронно-оптическая регистрация квантовых флуктуаций

сверхслабых световых потоков // Сб. научных трудов. М.: «Прометей», 1997, №11, с. 21-25.

52. Жаворонков В.И., Рябинин Ю.А. Современные методы и средства измерения

однократных электрических импульсов //Тез. докл. 18 Всеросс. науч.-техн. конф. Высокоскоростная фотография и фотоника. М.: ВНИИОФИ, 1997 с. 34.

53. Zliavoronkov V.l. The Use of Speed Oscillography for Investigation of Weak Sin-

gle-Shot Fast-Moving Pulse Processes // 23rd International Congress on HighSpeed Photography and Photonics, 1998, Moscow, Russia, p.22.

Л 0(..35~О/?с>/оь

Вятский государственный педагогический университет

оь

На правах рукописи

/

Жаворонков Владимир Иванович

СПЕЦИАЛИЗИРОВАННЫЕ ВЫСОКОЧУВСТВИТЕЛЬНЫЕ ОПТИКО-ЭЛЕКТРОННЫЕ ИНФОРМАЦИОННО-ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ УСТРОЙСТВА И СИСТЕМЫ ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЙ ОДНОКРАТНЫХ БЫСТРОПРОТЕКАЮЩИХ И СЛАБОСВЕТЯЩИХСЯ ПРОЦЕССОВ В ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЙ ФИЗИКЕ

05.11.16 - Информационно-измерительные системы

Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук

Научный консультант д.т.н. - Рябинин Ю.А.

Киров - 1998г.

СОДЕРЖАНИЕ

Список введенных в работе аббревиатур ............................................................6

ВВЕДЕНИЕ.............................................................................................................7

Основные положения, выносимые на защиту...................................................20

ЧАСТЬ I. Скоростное осциллографирование однократных быстро-

протекающих процессов в физическом эксперименте ....................................24

ГЛАВА 1. Состояние и задачи техники измерения и регистрации однократных импульсных процессов ................................................................24

1.1. Методы регистрации и средства измерений однократных электрических импульсов................................................................................24

1.2. Основные требования к параметрам осциллографических приборов и систем и их реализация .........................................................................29

1.3. Выводы и постановка задачи ...................................................................44

ГЛАВА 2. Разработка и создание широкополосной высокочувствительной осциллографической аппаратуры с высокой скоростью регистрации и обработки информации ...............................................................................................48

2.1. Методы повышения скорости записи скоростных осциллографических ТБВ.....................................................................................................................49

2.1.1. Оценка фотометрической эффективности классической системы фоторегистрации...........................................................................49

2.1.2. Применение стекловолоконной оптики ..........................................56

2.1.3. Эффективность фоторегистрации при использовании ЭОП ........63

2.1.4. Исследование и анализ разрешающей способности вариантов ЭЛТ с встроенными камерами усилителя яркости ...........................................69

2.2. Реализация методов повышения скорости фотозаписи скоростных ТБВ ...............................................................................................94

2.2.1. Использование внешних ЭОП для усиления яркости осциллограмм с экрана ЭЛТ......................................................................................94

2.2.2. Применение встроенной в ЭЛТ камеры усилителя яркости.........99

2.2.3. ЭЛТ с экраном из стекловолокна ...................................................110

2.3. Создание скоростных осциллографических систем с высокой скоростью записи и высокой чувствительностью к отклонению.............114

2.3.1. Скоростные осциллографические установки на основе применения ЭОП.......................................................................................................114

2.3.2. Потенциальные возможности использования широкополосных транзисторных СВЧ усилителей в канале вертикального отклонения скоростного осциллографа.........................127

2.3.3. Возможности построения скоростных регистрирующих установок на основе универсальных осциллографов и внешних ЭОП. 135 2.4. Способы автоматического считывания осциллограмм с экрана ЭЛТ с помощью внешних ЭВМ ........................................................................144

2.4.1. Система на основе ЭОУ яркости и телекамеры на видиконе......145

2.4.2. Система на основе электронной камеры с матрицей ПЗС

на входе ........................................................................................................148

2.4.3. Оценка погрешности осциллографических измерений................150

2.5. Выводы .....................................................................................................159

ГЛАВА 3. Применение скоростного осциллографирования при исследовании однократных импульсных процессов нано- и пикосекундной длительности .............................................................................................................162

3.1. Исследование режимов работы импульсных магнетронов.................162

3.2. Исследование характера возбуждения СВЧ колебания в полупроводниковых приборах...........................................................................................168

3.3. Исследование влияния магнитного поля на генерацию колебаний

при эффекте Ганна ........................................................................................174

3.4. Возможность физического исследования радиоизлучения предгрозовых облаков ...................................................................................177

3.5. Анализ механизма взаимодействия импульсного лазерного излучения с металлами..................................................................................179

3.6. Измерение характеристик ударно-волнового процесса в металлических преградах при воздействии импульсного электронного пучка.....182

3.7. Пример изучения процессов возбуждения и релаксации

в высокотемпературном сверхпроводящем материале..............................187

3.8. Выводы......................................................................................................189

ЧАСТЬ II. Электронно-оптическая регистрация и исследование

слабосветящихся физических явлений.............................................................190

ГЛАВА 4. Состояние и задачи физики и техники регистрации и измерения параметров быстропротекающих оптических процессов..........191

4.1. Современное состояние разработки электронно-оптической аппаратуры ......................................................................................................191

4.2. Основные области применения электронно-оптических методов регистрации......................................................................................................197

4.3. Выводы и постановка задачи .................................................................202

ГЛАВА 5. Методология построения электронно-оптических индикаторов сверхслабого светового и ИК-излучения на основе ЭОП..............................203

5.1. Анализ способов исследования слабого свечения...............................203

5.2. Проблемы оптической индикации слабосветящихся процессов........217

5.3. Выводы......................................................................................................224

ГЛАВА 6. Новые применения электронно-оптических устройств регистрации в научных исследованиях ...........................................................225

6.1. Регистрация нестационарной адсорбции на поверхности металлов.. 225

6.2. Анализ углового распределения аннигиляционных фотонов.............231

6.3. Исследование газового разряда и явления пробоя в полупроводниковых лавинных фотодиодах.....................................................................238

6.4. Визуализация поля направлений в радиосистемах и траекторные измерения.........................................................................................................242

6.5. Выводы......................................................................................................250

ГЛАВА 7. Применение результатов научных исследований в учебном физическом эксперименте..................................................................................252

7.1. О возможностях применения электронно-оптического преобразователя изображения в демонстрационном эксперименте.......................252

7.2. Разработка и создание экспериментальных установок на основе ЭОП, методики их применения в учебном физическом эксперименте.... 253

7.3. Новые физические демонстрации с применением ЭОП......................262

7.4. Выводы......................................................................................................269

ЗАКЛЮЧЕНИЕ...................................................................................................270

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ...................................................................................273

ПРИЛОЖЕНИЯ:

Приложение 1. Перечень НИР и ОКР, выполненных по теме

диссертации.....................................................................................................294

Приложение 2. Акты внедрения результатов диссертации........................295

Приложение 3. Акт об использовании результатов диссертации в учебном процессе............................................................................................298

СПИСОК ВВЕДЕННЫХ В РАБОТЕ АББРЕВИАТУР

ПРФЛ - проблемная радиофизическая лаборатория БПП - быстропротекающие процессы ССП - слабосветящиеся процессы

ЭЛТ и ФЭП - электронно-лучевые и фотоэлектронные приборы

ЭЛТБВ - электронно-лучевая трубка бегущей волны

ЗЭЛТ - запоминающая электронно-лучевая трубка

ОС и СОС - отклоняющая система и сигнальная отклоняющая система

ОЗС - отклоняюще-замедляющая система

ШЛЛ - ширина линии луча

ЭОС - электронно-оптическая система

ЭОУ - электронно-оптический усилитель

ПЗС - прибор зарядовой связи

ЧКХ - частотно-контрастная характеристика

ВТСП - высокотемпературный сверхпроводник

АЦП - аналого-цифровой преобразователь

ЛСФ - люминофор-слюдяная пластина-фотокатод

МКП - микроканальная пластина

ВО - волоконная оптика

ФЭР - фотоэлектронный регистратор

СПО - специализированное программное обеспечение

ДМЭ - дифракция медленных электронов

ПЭМ и АЭМ - полевая электронная и автоэлектронная микроскопия ДНЗ и ЛФД - диод с накоплением заряда и лавинный фотодиод ПМД - параметрический модулятор-демодулятор ВКУЭ - вакуумная камера ускорителя электронов

СП и ВТСП - сверхпроводимость и высокотемпературная сверхпроводимость

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы исследования. Оптико-электронные системы измерения пространственно-временных характеристик однократных быстро-протекающих и слабосветящихся процессов включает в себя осциллографи-ческую и электронно-оптическую аппаратуру.

Речь идет о двух информационно-измерительных методах, системах и устройствах регистрации и исследования указанных процессов.

1. Для исследований однократных или редко повторяющихся физиче-

7 11 '

ских процессов в диапазоне длительностей 10" -г- 10" с широко применяется скоростное осциллографирование на электронно-лучевых трубках типа бегущей волны (ЭЛТБВ). Регистрация и измерение амплитудно-временных характеристик изучаемого физического процесса или явления любой природы осуществляется здесь на базе изучения электрических сигналов в реальном масштабе времени по каждой его посылке. В основе построения эта группа относится к электронно-измерительным системам.

2. Для регистрации и исследования сверхслабого (с уровнем освещенности ~10"6лк) оптического излучения нестационарных и стационарных процессов в широком спектральном диапазоне от ультрафиолетовой (УФ) до ближней инфракрасной (ИК) области ^спектра используются электронно-оптические устройства, построенные на основе-многокамерных электронно-оптических преобразователей (ЭОП) изображения. Интенсивность излучения изучаемого оптического явления здесь мала либо по причине кратковременного характера протекания процесса, либо по своей природе из-за малой мощности источника непрерывного излучения. В этом случае используется прямой метод измерения по оптическому излучению пространственно-энергетических характеристик изучаемого физического явления. По сути своей ЭОП является высокочувствительным и точным оптическим информационно-измерительным устройством, внедренным в исследуемый физический процесс.

Указанные системы и устройства имеют свою специфику в построении и принципе действия и одновременно обладают общими свойствами и объединяющими качествами.

Осциллографическая измерительная система является одноканальной информационной системой, и в этом ее основное отличие от системы электронно-оптической регистрации.

Рассмотрим состояние вопроса в области скоростной осциллографиче-ской аппаратуры.

Решение многих задач научного и прикладного характера в области экспериментальной физики связано с необходимостью регистрации быстропро-текающих процессов (БПП) однократных и редко повторяющихся процессов, изучение которых открывает новые принципиальные возможности в познании мира.

При проведении исследований в ядерной физике, электронной СВЧ, импульсной технике, полупроводниковой радиоэлектронике, физике горения и взрыва, в области динамического нагружения твердых тел, в криоэлектро-нике на основе высокотемпературной сверхпроводимости, при атмосферных и других исследованиях регистрация однократных процессов длительностью

7 11

10" 4-10" с часто является единственным способом познания сущности физических явлений [3,8].

Весьма важная информация о таких процессах может быть получена с помощью скоростных осциллографов, построенных на широкополосных электронно-лучевых трубках типа бегущей волны (ЭЛТБВ), рассчитанных на воспроизведение электрических сигналов малой амплитуды (менее 1В) в диапазоне частот от нуля до нескольких сотен и тысяч мегагерц.

Потребность ведущих отраслей науки и техники в создании новых, более современных методов и средств радиотехнических измерений для обеспечения экспериментальных исследований, поставили перед учеными-специалистами новые проблемы по повышению быстродействия, увеличе-

нию чувствительности и точности измерений, расширению функциональности и автоматизации процесса обработки информации осциллографической аппаратуры, предназначенной для регистрации однократных и редко повторяющихся импульсных сигналов в нано- и пикосекундном диапазоне длительностей.

Основы методов регистрации однократных процессов заложены в работах И.С. Стекольникова, М.М. Филиппова, H.Q Намана, Б.А. Уточкина, А.Ф. Денисова и других российских и зарубежных ученых [21-24]. Прикладные вопросы импульсных измерений развиты в работах М.И. Грязнова, З.А. Вай-нориса, Ю.А. Каменецкого и др. [25-26]. С.В. Денбновецким и др. разработаны методы масштабно-временного преобразования однократных сигналов на базе запоминающих электронно-лучевых трубок (ЗЭЛТ) [27]. Ю.А. Рябини-ным, Э.Х. Херманисом, А.И. Найденовым и др. [28, 29] развита теория вопросов стробоскопического преобразования временного масштаба периодических сигналов. Разнообразие требований к осциллографической аппаратуре, являющейся наиболее совершенным средством преобразования информации об исследуемом процессе в форму, удобную для визуального наблюдения и измерения, привело к развитию ряда отдельных направлений исследований, таких, как масштабно-временное преобразование на ЗЭЛТ, осцил-лографирование на ЭЛТБВ, стробоскопическое преобразование, регистрация на основе нелинейных интегральных преобразований (регистрация на основе интегрального метода измерения параметров импульса) и др. Однако некоторые методы измерений или не дают полной информации о сигналах (интегральный метод) [25], или не позволяют реализовать точность измерения (компенсационные) [30] при регистрации каждой посылки сигнала, или непригодны для исследования неповторяющихся сигналов (стробоскопические), или достаточно сложны, или имеют сравнительно низкую чувствительность в диапазоне свыше 200 МГц, либо отсутствует серийный выпуск, что обусловливает высокую стоимость регистраторов "Tektronix", модель

7612 (масштабно-временное преобразование) и непригодны по совокупности характеристик для решения измерительных задач, связанных с исследованием однократных сигналов.

Перспективным направлением при исследовании неповторяющихся сигналов было и остается скоростное осциллографирование на ЭЛТБВ в реальном масштабе времени, осуществляющее регистрацию сигнала по каждой его посылке. Большой интерес связан с измерением характеристик однократных сигналов малой амплитуды (менее 1В) и имеющих длительность в диапазоне от 10"7 до 10"ис.

Однако развитие этого перспективного направления радиоизмерительной техники и недостаточно широкое распространение скоростных осциллографов СВЧ диапазона было ограничено целым рядом проблем.

Главная проблема в скоростной осциллографии на момент постановки работы заключалась в резком уменьшении интенсивности свечения осциллограммы однократного процесса длительностью короче 10"7с для универсальных осциллографов и длительностью менее 10"9с для широкополосных скоростных.

Недостаточная скорость фотозаписи при осциллографировании указанных процессов приводила к невозможности регистрации изучаемого физического процесса любым известным способом [1,2], что существенно ограничивало диапазон регистрации быстропротекающих процессов [3,4].

Вторая проблема связана с относительно невысокой чувствительностью канала вертикального отклонения скоростного осциллографа и объясняется известным противоречием между полосой пропускания, скоростью фотозаписи и разрешающей способностью, с одной стороны, и чувствительностью отклонения, с другой [5]. Это обстоятельство ограничивает по минимуму амплитудный уровень исследуемых сигналов в лучшем случае значениями порядка (0,5-4 1)В.

и

Таким образом, скоростные осциллографы должны удовлетворять следующим требованиям:

1. Достаточно широким диапазоном рабочих частот;

2. Обладать высокой скоростью фотозаписи;

3. Высокой чувствительностью по отклонению электронного пучка;

4. Иметь малую ширину линии луча и высокую разрешающую способность, определяющую точность воспроизведения и отсчета сигнала.

Указанные ограничения делали по существу невозможным применение скоростного осциллографирования на ЭЛТБВ для исследований однократных процессов милливольтового уровня в нано- и пикосекундном диапазонах длительностей в экспериментальной физике.

В связи с вышеизложенным возникла первая актуальная проблема разработки и создания специализированной осциллографической аппаратуры, сочетающей в себе предельно возможные на определенном этапе времени быстродействие, высокую чувс�