CC BY
73
УДК 621.383.8
О ВРЕМЕНИ ЗАТУХАНИЯ ЛЮМИНЕСЦЕНТНЫХ ЭКРАНОВ ПИКОСЕКУНДНЫХ ЭОП ПРИ РЕГИСТРАЦИИ ПОВТОРЯЮЩИХСЯ СИГНАЛОВ В РЕЖИМЕ
НАКОПЛЕНИЯ
К. А. Верещагин1, П. Б. Горностаев1, С. Р. Иванова1, Т. П. Кулеченкова1,
Г. П. Левина1, В. А. Макушина1, О. И. Мешков2'3, А. В. Смирнов1,
11
При замене в пикосекундных ЭОП традиционных "медленных" люминесцентных экранов (P20 P43) на "быстрые" (P46, P47), обнаружено увеличение (в 2-5 раз) времени затухания "быстрых" катодолюминофоров при увеличении числа (от одиночного до сотни) регистрируемых импульсов. Учет обнаруженного эффекта позволяет скорректировать постановку задачи при создании пикосекундных диссекторов, предназначенных для, регистрации повторяющихся, сигналов в режиме накопления, (например, синхроторнного излучения).
Ключевые слова: ттикосекундные ЭОП. быстрые катодолюминофоры. диагностика повторяющихся сигналов (в т.ч. синхротронного излучения) в режиме накопления.
Введение. В рамках проведения работ по созданию диссектора, предназначенного для диагностики синхротронного излучения с временным разрешением в единицы пи-косекунд. изучено поведение времени затухания двух катодолюминофоров (Р43 и Р46) [1]. устанавливаемых в пикосекундных ЭОП типа ПИФ-01/SL разработанных и изго-Т<ШЛИВЗ>6МЫХ в Отделе фотоэлектроники ИОФ РАН. Показано, что длительность послесвечения "быстрых" люминофоров (типа Р46) зависит от числа накапливаемых на экране повторяющихся сигналов пикосекундной длительности, в то время как для "мед-
1 ИОФ РАН, 119991 Россия, Москва, ул. Вавилова, 38; e-mail: m.schelev@ran.gpi.ru.
2 Институт ядерной физики им. Г.И. Будкера СО РАН, 630090 Россия, Новосибирск, проспект Академика Лаврентьева, 11; e-mail: 0.I.Meshkov@inp.nsk.su.
3 Новосибирский государственный университет, 630090 Россия, Новосибирск, улица Пирогова, 2.
ленных люминофоров (типа Р43), традиционно используемых в изготавливаемых нами пикосекундньтх ЭОП. такой зависимости не обнаружено.
При разработке концепции построения нового поколения пикосекундньтх диссекторов. призванных придти на смену легендарным отечественным диссекторам модели ЛИ-602 [2 41. в качестве базовой модели времяанализируютцего ЭОП была выбрана трубка ПИФ-()1/31, разработанная в ИОФ РАН в 80-х годах прошлого столетия [5]. Эта трубка гарантирует временное разрешение порядка 1 ± 0.2 пс в режиме однократной щелевой (стрик) развертки изображений быстропротекаютцих процессов (БПП) с фазовыми скоростями ~2 • 1010 см/с [6, 7].
На первом этапе работы представлялось целесообразным не нарушать десятилетиями отработанную технологию изготовления трубок ПИФ-01/315 что могло бы произойти при их стыковке с вакуумными электронными умножителями. Было принято решение ограничиться заменой в ПИФ-01/31 традиционно используемых "медленных" люминесцентных экранов типа Р43 на быстрые типа Р46. При этом считалось, что временное разрешение ПИФ-01/31 сохранится на уровне одной пикосекундьт. как и в случае регистрации однократных неповторяющихся сигналов, когда существует достаточно времени (время затухания люминофора Р43 порядка миллисекунд) для последующего считывания и компьютерного анализа "развернутых" во времени на экране ЭОП изображений. Считывание изображений с экрана ЭОП в формате 1000x1300 пикселей нами производится с помощью ПЗС-камерьт за времена порядка миллисекунд. Однако в режиме накопления повторяющихся сигналов на экране ЭОП постоянная времени высвечивания люминофора становится фактором, ограничивающим качество считываемых с экрана изображений, в связи с наличием остаточных сигналов от предыдущих изображений. Поэтому важным фактором становится вопрос о нахождении "быстрого" люминофора с эффективностью преобразования фотоэлектронных изображений в видимые не хуже, чем у традиционных катодолюминофоров (например, для Р43 эффективность преобразования энергии 10 15 кэВ фотоэлектронного пучка в свет (543 нм) оценивается в 10 20%). При этом быстродействие устройства считывания развернутых во времени с пикосекундньтм разрешением и накопленных на экране ЭОП повторяющихся изображений должно быть согласовано с постоянной времени затухания его люминофора, причем на уровне до 10_4 — 10_6 от максимальной интенсивности высвечивания. Вот почему представлялось целесообразным измерять время затухания катодолюминофоров на уровне 10_3 и менее в режиме накопления повторяющихся сигналов на экранах
пикосекундньтх ЭОП. имея в виду эффекты искажения за счет запоминаемых экраном ранее притттедтттих сигналов.
Методика эксперимента. В эксперименте использовался Хс1:УАР-лазер, работающий в режиме модулированной добротности и самосинхронизации продольных мод с внутрирезонаторной отрицательной обратной связью на кристалле СаАэ, генерирующий цуг импульсов длительностью ~1 мкс с частотой следования 1 Гц. Длительность каждого импульса в цуге составляла 8 пс с аксиальным интервалом между ними 8 не. спектральная ширина лазерных импульсов в средней части цуга составляла ~0.3 нм с центром на длине воны 1079.5 нм. С помощью ячейки Поккельса либо выделялся одиночный пикосекундный импульс с энергией ~3 мкДж, либо выделялась пачка импульсов (приблизительно 120 импульсов). Лазерное излучение направлялось на фотокатод одной из пикосекундньтх трубок модели ПИФ-()1/31. В эксперименте использовались пикосекундньте ЭОП с очень близкими техническими параметрами (по чувствительности фотокатода, режиму включения и т.п.). с той лишь разницей, что в качестве их люминесцентных экранов использовались либо "быстрые" люминофоры (\73А15012:Се, аналог Р46), либо медле н н ы е (Сс12028:ТЬ, аналог Р43). Ускоряющее напряжение, подаваемое на ЭОП. составляло 12 кВ. Люминофоры отечественного производства были нам предоставлены группой профессора Н. П. Сотцина [ 8].
Для регистрации излучения от люминесцентных экранов, возбуждаемых 12 кэВ фотоэлектронными импульсами длительностью ~8 пс, использовался фотоумножитель модели СНФТ-3. Спектральная чувствительность его фотокатода покрывала диапазон 350 600 нм. Выходной сигнал ФЭУ регистрировался на осциллографе с последующей обработкой на компьютере. Сквозная полоса пропускания тракта регистрации светоотдачи люминофоров позволяла измерять временные параметры с точностью до наносекунд. Благодаря идентичности параметров используемых ЭОП, полагалось, что разброс параметров фотоэлектронных пучков, облучающих различные люминофоры, укладывался в экспериментальную погрешность ±(10 — 20)%.
В таблице 1 суммированы полученные экспериментальные данные по времени высвечивания "быстрого" (Р46) и "медленного" (Р43) люминофоров в зависимости от числа фотоэлектронных импульсов, попадающих на выходной экран ЭОП. Последняя строчка содержит сведения, соответствующие попаданию на экраны всего цуга из 120 импульсов. Для наглядности на рис. 1 приведены результаты измерений в графическом виде.
Таблица 1
Врем,я, затухания люминофоров Р46 и Р43 в зависимости от числа, возбуждающих
фотоэлектронных импульсов
Р46
К-во Полная Задний Задний Задний Время
импу- ширина фронт. фронт. фронт. ВЫ С В 6-
льсов FWHM, время время время чивания
затуха- затуха- затуха- (95%
ния (^s) ния (^э) ния (^э) энергии)
от макси- от макси- от макси-
мума до мума до мума до
уровня уровня уровня
10"1 10"2 10"3
1 0.048 0.203 1.193 5.558 1.025
5 0.071 0.246 1.342 6.292 1.031
25 0.205 0.34 2.995 14.515 1.075
Цуг (-120) 0.974 1.088 8.558 40.868 4.574
Р43
К-во Полная Задний Задний Задний Время
импу- ширина фронт. фронт. фронт. ВЫ С В 6-
льсов FWHM, время время время чивания
затуха- затуха- затуха- (95%
ния (^э) ния (^э) ния (^э) энергии)
от макси- от макси- от макси-
мума до мума до мума до
уровня уровня уровня
10"1 10"2 10"3
1 9.1 404 1319 2235 755.7
5 16.6 438.1 1387 2303 755.7
25 29.2 571.6 1928 3250 1341
Цуг (-120) 90.8 774.6 2063 3317 1343
Интересно отметить, что "медленный" люминофор (Р43) практически не реагирует на количество возбуждающих его 8 пс фотоэлектронных импульсов. Так, на уровне 10_3
Time, jlxs Time, |Lis
Рис. 1: Импульсный отклик быстрого P46 (а) и медленного P43 (Ь) люминофоров в зависимости от числа возбуждающих люминофор 8 пс фотоэлектронных импульсов. (1) - один импульс, (2) - 5 импульсов, (3) - 25 импульсов, 4 ~ ^есь цуг импульсов. Кривая (4) на рис. 1(a) "отслеживает" огибающую формы цуга импульсов.
от максимума интенсивности его свечения, время затухания удлиняется не более чем в 1.5 раза при возбуждении люминофора либо одиночными 8 пс, 12 кэВ электронными импульсами, либо цугом таких импульсов (от 2.2 мс до 3.3 мс). Совсем иное поведение обнаруживают "быстрые" люминофоры (Р46): время затухания их высвечивания удлиняется от 5.5 до 40.8 мкс при переходе от одиночного импульса к цугу из 120 импульсов.
Полученные экспериментальные данные имеют принципиальное значение при построении системы считывания изображений, развернутых в плоскости экрана ЭОП с пикосекундным временным разрешением. Эти данные позволяют выработать требования на время считывания и обработки проанализированных с пикосекундной точностью на ЭОП изображений, независимо от того, какая система считывания будет использоваться - ВЭУ, ФЭУ, ПЗС-матрица, МКП-усилители яркости и т.п.
Данные исследования были выполнены при финансовой поддержке Российского научного фонда (проект № 14-29-00295).
ЛИТЕРАТУРА
[1] К. A. Vereschagin, N. S. Vorob'ev, М. Ya. Schelev, et al., Journal of Russian Laser Research 35(6), November, 617 (2014).
[2] М. М. Бутслов. В. С. Комельков. К). Е. Нестерихин. Успехи научной фотографии. 9, 72 (1964).
[3] Э. П. Кругляков. К). Е. Нестерихин. "Теплофизика высоких температур" 3(4). 617 (1965).
[4] Л. М. Диамант. А. М. Искольдский. М. И. Кудрятттов. К). Е. Нестерихин. "Теплофизика высоких температур" 9(3), 617 (1971).
[5] V. Р. Degtyareva, Yu. V. Kulikov, М. А. Mouastyrski, et al., Proc. SPIE 491, 239 (1984).
[6] H. С. Воробьев. В. И. Лозовой. А. М. Прохоров и j\ [р., Квантовая электроника 32(4). 283 (2002).
[7] С. Г. Гаранин. С. А. Бельков. Г. С. Рогожников и j\ [р., Квантовая электроника 44(8), 798 (2014).
[8] В. А. Больтттухин. В. Н. Личманова. А. Н. Малова и др.. Электронная техника 113. 28 (1986).
Поступила в редакцию 5 декабря 2014 г.
