устройство для получения последовательности кадров изображения быстропротекающих процессов

Формула изобретения

1. Устройство для получения последовательных кадров изображения быстропротекающих процессов, содержащее приемное окно, объединяющее входные торцы оптических волокон, блок импульсных фотоприемников и блок электронного регистратора, отличающееся тем, что перед приемным окном расположен входной блок, содержащий, по меньшей мере, одну диафрагму и выполненный с возможностью установки в нем в зависимости от типа излучения, по меньшей мере, одного фотообъектива, установленного между диафрагмой и приемным окном, или сцинтилляторов, расположенных на поверхности приемного окна, а торцы оптических волокон в приемном окне расположены в виде периодической, самоупорядочивающейся, гексагональной сотовой структуры в шестиугольной оправке.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что блок импульсных фотоприемников выполнен на основе сверхскоростных фотодиодов.

3. Устройство по п.1 или 2, отличающееся тем, что площадь чувствительного элемента каждого фотодиода выбрана равной площади ядра каждого оптического волокна.

4. Устройство по п.1, отличающееся тем, что оптические волокна со ступенчатым профилем показателя преломления объединены в многожильный оптоволоконный кабель.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к системам наблюдения быстропротекающих процессов, и может быть использовано, в частности, при измерении параметров пучков заряженных частиц.

Известна «Телевизионная цифровая система для диагностики параметров пучков», авторов А.В.Евтихиева и др., а.с. №1732781, МПК G01T 1/29, опубликовано в БИ №17, 1995 г. Заявленное многоканальное устройство содержит восемь преобразователей энергии пучка в оптическое излучение и соответствующее число телекамер, а также аналого-цифровой преобразователь с быстрым буферным запоминающим устройством, блок выборки видеосигнала, синхрогенератор, блок многоканального управляемого масштабирующего усилителя, управляемый блок динамической и статической компенсации видеосигнала, управляемый блок многоканального гашения и схему управления, соединенные с магистралью ЭВМ. Система регистрирует параметры пучка одновременно в нескольких точках при управлении от ЭВМ каждым каналом - настройкой усиления, фильтрации, динамической и статической компенсацией, положением и размером окна оцифровки, учетом фона.

Недостатком данного известного устройства (и всех устройств данного типа, основанных на использовании теле- или кинотехники) является принципиальная невозможность регистрации последовательности кадров изображений с периодом следования кадров от 10^-9 до 10^-8 секунд.

Наиболее близким к заявляемому изобретению является устройство для получения последовательности кадров изображений быстропротекающих процессов Т.Chen, R.H.Siemann, "An Apparatus for measuring turn-by-turn transverse beam profile in electron storage rings", presented at the 5^th European Particle Accelerator Conference (EPAC 96), Sitges (Barcelona), Spain, June 10-14, 1996. Принцип действия данного устройства (в отличие от устройств, основанных на использовании теле- или кинотехники) заключается в одновременной регистрации сигналов от каждого элемента матрицы, которая регистрирует последовательность кадров изображения быстропротекающих процессов.

Устройство по прототипу содержит приемное окно, объединяющее входные торцы оптических волокон, блок импульсных фотоприемников и блок электронного регистратора. Блок импульсных фотоприемников выполнен на основе ультракомпактных фотоэлектронных умножителей (ФЭУ) фирмы Hamamatsu R5600, имеющих коэффициент усиления 3×10⁵ и длительность переходной характеристики 0.65 нс. Блок электронного регистратора построен на основе 20-канального 12-битного 12-МГц аналогового цифрового преобразователя фирмы Omnibyte Multichannel Analog Digitizer. В качестве оптических волокон использовались коммерческие волокна фирмы Fiberguide Industries с коэффициентом ослабления оптического сигнала 11,5 дБ/км, существенная радиационная деградация оптических свойств которых наступает при дозе 50 000 рад. Оптическая жила волокна имеет диаметр 100 мкм при размере изображения пучка 250 мкм. Авторами статьи был изготовлен вариант измерительного прибора, включающий волоконно-оптический жгут и десять фотоумножителей фирмы Hamamatsu R5600, которые размещались на одной платформе. Механическая система управления позволяла перемещать платформу в вертикальном и горизонтальном направлениях и вращать ее вокруг центра матрицы.

Недостатками данного прототипа являются ограниченные возможности использования данного устройства, неудобство при его эксплуатации и низкое качество получаемого изображения.

При создании данного изобретения решалась задача создания устройства автоматизированной системы пооборотной регистрации положения центра тяжести электронного и позитронного пучков в накопителях заряженных частиц. Визуализация положения частиц в пучках осуществляется путем регистрации синхротронного излучения.

Техническим результатом при решении данной задачи является расширение функциональных возможностей, улучшение качества изображения и обеспечение удобства при эксплуатации.

Указанный технический результат достигается тем, что по сравнению с известным устройством для получения последовательности кадров изображения быстропротекающих процессов, содержащим приемное окно, объединяющее входные торцы оптических волокон, блок импульсных фотоприемников и блок электронного регистратора, в заявляемом устройстве перед приемным окном расположен входной блок. Входной блок содержит, по меньшей мере, одну диафрагму, выполненную с возможностью установки в нем в зависимости от типа излучения, по меньшей мере, одного фотообъектива, установленного между диафрагмой и приемным окном, или сцинтиллятора, расположенного на поверхности приемного окна. Торцы оптических волокон в приемном окне расположены в виде периодической, самоупорядоченной гексагональной (сотовой) структуры в шестиугольной оправе. Фотоприемники выполнены на основе импульсных сверхскоростных фотодиодов. Площадь чувствительного элемента каждого фотоприемника равна площади ядра каждого оптического волокна. Использованы оптические волокна со ступенчатым профилем показателя преломления, объединенные в многожильный оптоволоконный кабель.

При регистрации кадров изображения по синхротронному излучению видимого или рентгеновского спектрального диапазона использование фокусирующего устройства, выполненного, по меньшей мере, на базе одного фотообъектива, расположенного перед приемным окном, позволяет установить приемное окно матрицы фотоэлементов на наиболее удобном для проведения измерений расстоянии от источника синхротронного излучения, путем согласования размера изображения пучка электронов или позитронов с размерами входного окна устройства. Элементы коллимации, в данном случае, выполнены в виде, по меньшей мере, одной диафрагмы из непрозрачного для синхротронного излучения материала с минимально допустимым по условиям проведения измерений диаметром отверстия.

Для получения максимально возможного отношения величины полезного сигнала к величине собственного шума фотоприемника (отношение сигнал/шум) путем выбора режима работы фотоприемника при амплитуде его выходного сигнала, близких к пределу линейности его световой характеристики, площадь чувствительного элемента каждого фотоприемника и площадь ядра каждого оптического волокна выбраны одинаковыми. Размеры волокон подобраны таким образом, чтобы обеспечивалось максимально возможное отношение площади ядер оптических волокон, пропускающих свет, к суммарной площади оптических волокон.

С целью упрощения условий эксплуатации импульсных фотоприемников и существенного уменьшения стоимости измерительной аппаратуры, при сохранении высокого уровня качества регистрации изображения, блок импульсных фотоприемников выполнен на основе сверхскоростных импульсных фотодиодов, что позволило отказаться от использования сложных и дорогостоящих прецизионных блоков питания ФЭУ.

Для исключения потерь света на вспомогательных элементах в конструкции приемного окна устройства и получения максимально высокого качества изображения использованы оптические волокна со ступенчатым профилем показателя преломления, объединенные в многожильный оптоволоконный кабель.

Для упрощения изготовления приемного окна устройства и обеспечения при этом периодичности расположения оптических волокон по его поверхности, приемное окно выполнено из торцов оптических волокон, помещенных и зафиксированных в шестиугольной оправке со специально подобранными размерами, обеспечивающей размещение торцов волокон по поверхности приемного окна в виде периодической самоупорядоченной гексагональной структуры.

При регистрации кадров изображения по синхротронному излучению рентгеновского спектрального диапазона в приемное окно устройства устанавливаются сцинтилляторы, причем они могут быть установлены непосредственно на поверхности приемного окна устройства на входных торцах оптических волокон. При этом поворотное зеркало и фотообъектив не используются, а элементы защиты и коллимации выполняются в виде диафрагм достаточного размера и толщины из материала, эффективно ослабляющего поток рассеянного синхротронного излучения (СИ).

На фиг.1 изображено заявляемое устройство для получения последовательности кадров изображения быстропротекающих процессов по видимому излучению оптического диапазона синхротронного излучения.

На фиг.2 изображено заявляемое устройство для получения последовательности кадров изображения быстропротекающих процессов по синхротронному излучению рентгеновского диапазона.

На фиг.3 изображено приемное окно.

На фиг.1, 2, 3 изображено:

1 - источник излучения;

2 - пучок частиц;

3 - зеркало;

4 - входной блок;

5 - диафрагма;

6 - фотообъектив;

7 - приемное окно;

8 - оптоволоконный кабель;

9 - оптические волокна;

10 - блок электронного регистратора;

11 - блок импульсных фотоприемников;

12 - блок предварительной обработки сигналов;

13 - АЦП - аналого-цифровой преобразователь;

14 - персональный компьютер;

15 - сцинтилляторы;

16 - оправка.

Заявляемое устройство содержит приемное окно 7, объединяющее входные торцы оптических волокон 9, блок импульсных фотоприемников 11, блок электронного регистратора 10. Перед приемным окном 7 расположен входной блок 4, содержащий, по меньшей мере, одну диафрагму 5 и выполненный с возможностью установки в нем в зависимости от типа излучения, по меньшей мере, одного фотообъектива 6, установленного между диафрагмой 5 и приемным окном 7 или сцинтилляторов 15, расположенных на поверхности приемного окна 7. Торцы оптических волокон 9 в приемном окне 7 расположены в виде периодической, самоупорядоченной гексагональной структуры в шестиугольной оправке 16. Блок импульсных фотоприемников 11 выполнен на основе сверхскоростных импульсных фотодиодов. Площадь чувствительного элемента каждого фотодиода выбрана равной площади ядра каждого оптического волокна 9. Оптические волокна 9 со ступенчатым профилем показателя преломления объединены в многожильный оптоволоконный кабель 8.

Кроме того, заявляемое устройство может содержать зеркало 3, изменяющее направление распространения синхротронного излучения и направляющее его к входному блоку 4. Блок электронного регистратора 10 может состоять из блока предварительной обработки сигналов 12, в который входит блок импульсных фотоприемников 11, аналого-цифровой преобразователь 13 и персональный компьютер 14.

В примере реализации заявляемого устройства по фиг.1 во входном блоке оптическая схема состоит из плоского поворотного зеркала, диафрагмы и двух конфокально расположенных объективов «Юпитер-37 А» (фокусное расстояние 135 мм) и «Гелиос-44М 5МС» (фокусное расстояние 58 мм). Поворотное зеркало выполнено из металлизированной тонкой лавсановой мембраны, размещенной на оправе. Диафрагма выполнена по типу ирисовой диафрагмы. Объективы расположены на оправах, представляющие собой два тубуса, которые имеют безлюфтовую посадку по внешней и внутренней поверхностям. Тубусы предназначены для изменения расстояния между окулярами объективов. В приемном окне расположены торцы 61 оптических волокон. Оптические волокна выполнены из пластика, диаметром 0,73 мм. Блок импульсных фотоприемников выполнен на основе сверхскоростных фотодиодов фирмы Hamamatsu марки ВРХ65. Блок предварительной обработки сигналов содержит два типа микросхем Analog Devices и Burr-Brown. Аналого-цифровой преобразователь выполнен на основе микросхем Analog Devices с временем выборки 20 нс и с разрешением по амплитуде восьми двоичных разрядов.

Работает заявляемое устройство следующим образом. Фотоны видимой части СИ отражаются от металлического зеркала 3. На измерительной позиции, с помощью оптической системы формируется изображение сечения пучка 2 частиц в источнике излучения 1. На торце оптических волокон в приемном окне 7 формируется изображение источника СИ пучка частиц 2. В этом случае изображение имеет достаточно малые искажения вследстие дифракционных эффектов и эффектов от "неточечности" источника излучения. Это изображение регистрируется блоком импульсных фотоприемников 11, входящего в блок электронного регистратора 10. Изображение пучка частиц (источника СИ) на входном торце многожильного волоконно-оптического кабеля 8 создается с помощью оптической формирующей системы, состоящей из двух фотообъективов 6. Световой сигнал с каждого оптического волокна 9 подается на блок импульсных фотоприемников 11 со встроенным трансимпедансным предусилителем. Волоконно-оптический кабель 8 состыкован с блоком импульсных фотоприемников 12, который, в свою очередь, входит в блок электронного регистратора 10. Каждое волокно оптоволоконного кабеля 8, каждый импульсный фотоприемник блока импульсных фотоприемников 11 и канал блока электронного регистратора 10 образуют канал регистрации одного пиксела изображения пучка частиц. Систему наблюдения можно построить, в принципе, из любого количества таких каналов - от единиц до сотен и более. После обработки в блоках импульсных фотоприемников 11 и предварительной обработки 12 электрический импульс измеряется, и результат записывается в индивидуальной ячейке блока АЦП 13, состоящего из, примерно, тысячи ячеек.

Таким образом, по сравнению с прототипом, заявляемое устройство позволяет расширить функциональные возможности - вести регистрацию последовательных кадров быстропротекающих процессов как в видимом диапазоне синхротронного излучения, так и в диапазоне рентгеновского излучения. При проведении измерений по излучению видимого диапазона синхротронного излучения удалось упростить процесс эксплуатации заявляемого устройства, так как оно позволяет установить приемное окно на наиболее удобном для проведения измерений расстоянии от места возникновения синхротронного излучения. Упростить процесс эксплуатации заявляемого устройства путем отказа от применения прецизионных источников питания ФЭУ также удалось за счет использования в качестве импульсных фотоприемников сверхскоростных импульсных фотодиодов.

Улучшить качество изображения удалось путем:

- получения возможности согласования размера изображения пучка электронов или позитронов с размерами входного окна устройства за счет введения фокусирующего устройства;

- улучшения условий работы приемного окна за счет уменьшения фона от рассеянного излучения за счет введения входного блока, включающего элементы защиты и коллимации;

- обеспечения максимально возможного соотношения величины полезного сигнала с фотоприемника к величине собственного шума фотоприемника и фона за счет обеспечения работы фотоприемника при уровнях выходного сигнала, близких к пределу линейности его амплитудной характеристики, путем обеспечения равенства площадей чувствительного элемента импульсного фотоприемника и ядра оптического волокна;

- исключения потерь света на вспомогательных элементах конструкции приемного окна устройства за счет использования оптических волокон со ступенчатым профилем показателя преломления, объединенных в многожильный оптоволоконный кабель, подобранных по размеру ядра и оболочки таким образом, чтобы обеспечивалось максимально возможное отношение площади ядер оптических волокон, пропускающих свет, к суммарной площади оптических волокон.