RU2250531C2 - Method for calibrating time sweep of chronographic image converter-recorder - Google Patents

Method for calibrating time sweep of chronographic image converter-recorder Download PDF

Info

Publication number
RU2250531C2
RU2250531C2 RU2003117502/09A RU2003117502A RU2250531C2 RU 2250531 C2 RU2250531 C2 RU 2250531C2 RU 2003117502/09 A RU2003117502/09 A RU 2003117502/09A RU 2003117502 A RU2003117502 A RU 2003117502A RU 2250531 C2 RU2250531 C2 RU 2250531C2
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
time
calibration
sweep
screen
voltage
Prior art date
Application number
RU2003117502/09A
Other languages
Russian (ru)
Other versions
RU2003117502A (en
Inventor
В.М. Шувалов (RU)
В.М. Шувалов
Original Assignee
Федеральное Государственное Унитарное предприятие - ФГУП "Научно-исследовательский институт импульсной техники" - НИИИТ
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Федеральное Государственное Унитарное предприятие - ФГУП "Научно-исследовательский институт импульсной техники" - НИИИТ filed Critical Федеральное Государственное Унитарное предприятие - ФГУП "Научно-исследовательский институт импульсной техники" - НИИИТ
Priority to RU2003117502/09A priority Critical patent/RU2250531C2/en
Publication of RU2003117502A publication Critical patent/RU2003117502A/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2250531C2 publication Critical patent/RU2250531C2/en

Links

Images

Landscapes

  • Lasers (AREA)
  • Photometry And Measurement Of Optical Pulse Characteristics (AREA)

Abstract

FIELD: investigation of optical processes in pico- and femto-second ranges.
SUBSTANCE: proposed method involves establishment of ambiguous correlation between calibration marks on screen produced by electron beam coming from photocathode area illuminated by semiconductor pulse-modulated laser on screen region confined by shadow mask and respective time intervals used for time calibration in processing image converter time chart. This correlation is effected either using mathematical formula (in case of simple waveforms of sweep voltage) or by pre-numbering (during adjustment of image converter-recorder) at discrete points of sweep voltage. All these procedures make it possible to change laser mode of operation, that is to reduce requirements to its radiation thereby simplifying implementation of proposed method and reducing calibration error.
EFFECT: enhanced precision of time sweep calibration.
1 cl, 2 dwg

Description

Изобретение относится к области электронной техники и может быть использовано для исследования оптических процессов пико- и фемтосекундного диапазона. ЭОП-регистратор содержит электронно-оптический преобразователь - ЭОП.The invention relates to the field of electronic technology and can be used to study the optical processes of the pico and femtosecond range. The image intensifier contains an electron-optical converter - image intensifier.

При исследовании пикосекундных импульсных сигналов с помощью хронографических ЭОП-регистраторов происходит развертывание исследуемого сигнала вдоль временной оси с помощью пилообразных импульсов развертки, длительность которых может быть до Тр~100 пс/экран.When picosecond pulsed signals are studied using chronographic image intensifier recorders, the signal under investigation is deployed along the time axis using sawtooth-shaped scanning pulses, the duration of which can be up to Tr ~ 100 ps / screen.

В приведенной в списке литературе употребляются термины: временная развертка, временная ось, пространственная ось, используемые также и заявителем. Для калибровки временной развертки в настоящее время применяются два основных способа. Первый способ [1] заключается в подаче на специальную калибровочную отклоняющую систему гармонических меток времени, период которых должен быть меньше длительности развертки не менее чем в 5-10 раз. В этом случае на экране разворачивается изображение гармонического сигнала (аналогичное осциллографическому), отметки периодов которого используются при калибровке. Изобретение заявителя [1] повышает в 3 раза точность временных измерений по первому способу, однако имеет все ниже перечисляемые недостатки, присущие этому способу. В первую очередь - это необходимость установки в ЭОП специальной калибровочной отклоняющей системы, наличие которой негативно сказывается на основных характеристиках ЭОП, таких как временное и пространственное разрешение по экрану, дисторсия и другие. Кроме того, имеются принципиальные проблемы калибровки самых быстрых разверток. Например, для калибровки развертки длительностью, на экран Тр~200 пс/экран, требуется не менее 5 периодов меток времени частотой Fм=25 ГГц.In the literature cited in the list of terms are used: time scan, time axis, spatial axis, also used by the applicant. To calibrate the time base, two main methods are currently used. The first method [1] consists in applying harmonic time stamps to a special calibration deflecting system, the period of which should be less than the scan time by at least 5-10 times. In this case, the image of the harmonic signal (similar to the oscillographic signal) is expanded on the screen, the period marks of which are used for calibration. The invention of the applicant [1] increases by 3 times the accuracy of time measurements in the first method, however, it has all of the following disadvantages inherent in this method. First of all, it is the need to install a special calibration deflecting system in the image intensifier tube, the presence of which negatively affects the main characteristics of the image intensifier device, such as temporal and spatial resolution on the screen, distortion, and others. In addition, there are fundamental problems with calibrating the fastest scans. For example, to calibrate a sweep of duration on the screen Tp ~ 200 ps / screen, at least 5 time stamp periods with a frequency of Fm = 25 GHz are required.

В настоящее время не существует отклоняющих систем для отклонения сигнала такой частоты. Кроме того, требуется скорость записи Vз=2·π·Fм·А, где А - амплитуда меток времени (MB), VЗ>8·1010 м/с, что также превышает современный достигнутый уровень, VЗ~5 ·1010 м/с. Не случайно в наиболее быстродействующих ЭОП, таких как Р920 РМЕ (Pilips, Франция), N5716 (Hamamatsu, Япония), ПВ 001 (ВНИИОФИ, Россия), отсутствует калибровочная система и осуществляется оптическая калибровка временной оси.There are currently no deflection systems for deflecting a signal of this frequency. In addition, a recording speed of Vz = 2 · π · Fm · A is required, where A is the amplitude of the timestamps (MB), V З > 8 · 10 10 m / s, which also exceeds the current level achieved, V З ~ 5 · 10 10 m / s. It is no coincidence that the fastest image intensifiers, such as P920 PME (Pilips, France), N5716 (Hamamatsu, Japan), PV 001 (VNIIOFI, Russia), lack a calibration system and carry out optical calibration of the time axis.

Известный способ [2] оптической калибровки временной развертки, заключается в том, что участок фотокатода ЭОП засвечивают промодулированным с нужной частотой оптическим излучением лазера. При этом на участке экрана, соответствующем изображению засвеченного участка фотокатода, при развертке образуется последовательность временных отметок в виде вспышек, период которых равен периоду следования коротких импульсов лазерного излучения, как показано на Фиг.1в (верхняя диаграмма). Форма огибающей излучения лазера прототипа Рлаз npoт(t), условно показана такой же, как форма импульсно-модулированного, непрерывного в пределах модулирующего импульса, излучения лазера Рлаз(t) в предлагаемом способе (здесь t - время). Недостатком способа [2] оптической калибровки временной оси является необходимость применения совместно с ЭОП-регистратором дорогостоящего и сложного лазерного оборудования, формирующего пикосекундные оптические импульсы с различным (в зависимости от длительности развертки) периодом Тои. Кроме того, имеются ограничения по регистрации коротких яркостных отметок длительностью tи, соответствующих меткам времени. В [2] приводится соотношение для указанных длительностей: tи<<τ<<Тои<<Тр (*), где τ - временное разрешение ЭОП. Так для Тр=200 пс/экран (временное разрешение τ~1 пс) при Тои~20 пс, длительность одной вспышки tи≤0,5 пс, ширина элемента вдоль временной оси при Vp~1,5·1010 см/с порядка L≤0,075 мм и светового потока с такого тонкого элемента может быть недостаточно для уверенной регистрации элемента MB. Из эопограммы, приведенной в описании [2] (рис.2, стр.208), следует, что при попытке улучшения видимости калибровочных штрихов, нарушается условие (*), сформулированное в описании способа, а следовательно, ширина штрихов становится соизмеримой с периодом, что существенно, до 50%, повышает погрешность калибровки. Таким образом, применение известных способов калибровки накладывает различные ограничения при калибровке быстрых разверток, а следовательно, снижается точность калибровки временной оси.The known method [2] of optical calibration of the time base scan is that a portion of the photocathode of the image intensifier tube is illuminated by a laser optical radiation modulated at the desired frequency. At the same time, on a portion of the screen corresponding to the image of the illuminated portion of the photocathode, when scanning, a sequence of time stamps in the form of flashes is formed, the period of which is equal to the period of repetition of short pulses of laser radiation, as shown in Fig. 1c (upper diagram). The shape of the envelope of the laser radiation of the prototype Rlaz npoot (t) is conventionally shown to be the same as the shape of a pulse-modulated, continuous within the modulating pulse, laser radiation Rlaz (t) in the proposed method (here t is time). The disadvantage of the method [2] of optical calibration of the time axis is the need to use, together with the image intensifier, an expensive and sophisticated laser equipment that generates picosecond optical pulses with different (depending on the duration of the sweep) Toy period. In addition, there are restrictions on the registration of short brightness marks of duration t and corresponding to time stamps. In [2], the relation for the indicated durations is given: t and << τ << Toy << Tr (*), where τ is the time resolution of the image intensifier tube. So for Tp = 200 ps / screen (temporal resolution τ ~ 1 ps) at Toi ~ 20 ps, the duration of one flash is ti≤0.5 ps, the width of the element along the time axis at Vp ~ 1.5 · 10 10 cm / s L≤0.075 mm and the luminous flux from such a thin element may not be sufficient for a reliable registration of the MB element. From the eopogram in the description [2] (Fig. 2, p. 208), it follows that when trying to improve the visibility of the calibration strokes, the condition (*) formulated in the description of the method is violated, and therefore, the width of the strokes becomes comparable with the period which significantly, up to 50%, increases the calibration error. Thus, the use of known calibration methods imposes various limitations in the calibration of fast sweeps, and therefore, the accuracy of the calibration of the time axis is reduced.

Калибровка временной развертки, представленная в [3], осуществляется благодаря использованию временного интервала в 21 пс между двумя короткими лазерными импульсами. Такая калибровка пригодна, в основном, для определения полной длительности развертки и требует установки и юстировки сложной оптической системы.The time sweep calibration presented in [3] is carried out by using a time interval of 21 ps between two short laser pulses. Such calibration is suitable mainly for determining the total duration of the sweep and requires the installation and adjustment of a complex optical system.

Известна также система калибровки [4] временной оси рентгеновской ЭОП камеры для специального случая, когда исследуемый цуг рентгеновских импульсов синхронизован с оптическим цугом, формируемым из короткого лазерного импульса. В качестве калибровочной величины используется период видимого на экране цуга изображения рентгеновских импульсов. Из описания следует, что способ [4] может быть использован только в случае, когда источник излучения и ЭОП-камера являются единой установкой для одного номинала развертки и вида исследуемого сигнала.Also known is a calibration system [4] for the time axis of an X-ray image intensifier tube for a special case when the studied train of X-ray pulses is synchronized with an optical train formed from a short laser pulse. As the calibration value, the period of the image of the x-ray pulses visible on the screen of the train is used. From the description it follows that the method [4] can be used only in the case when the radiation source and the image intensifier tube are a single installation for one scan value and the type of the signal under study.

Наиболее близким техническим решением к данному предложению является известный [2] способ калибровки временной развертки хронографического ЭОП-регистратора, заключающийся в засветке участка фотокатода импульсным лазерным излучением. В способе [2] период следования импульсов таков, чтобы на калибруемой развертке обеспечивалось размещение не менее 10 яркостных меток. Как отмечалось выше, первым недостатком способа [2] являются его сложность, связанная со сложностью используемого лазерного оборудования. Вторым недостатком способа [2] является неудовлетворительная точность калибровки, что связано с высокими требованиями к импульсам меток времени. В способе - прототипе в связи с тем, что число и ширина отметок не соответствуют оптимальным значениям, погрешность калибровки достигает нескольких десятков процентов, о чем уже было сказано выше.The closest technical solution to this proposal is the well-known [2] method for calibrating the time base of a chronographic image intensifier recorder, which consists in illuminating a portion of the photocathode with pulsed laser radiation. In the method [2], the pulse repetition period is such that at least 10 luminance marks are placed on the calibrated scan. As noted above, the first drawback of the method [2] is its complexity associated with the complexity of the used laser equipment. The second disadvantage of the method [2] is the unsatisfactory calibration accuracy, which is associated with high requirements for the pulses of time stamps. In the method - the prototype due to the fact that the number and width of the marks do not correspond to the optimal values, the calibration error reaches several tens of percent, as mentioned above.

Первым техническим результатом предлагаемого способа является повышение точности калибровки временной развертки хронографических ЭОП-регистраторов. Вторым техническим результатом предлагаемого способа является его простота, связанная с простотой реализации.The first technical result of the proposed method is to increase the accuracy of the calibration of the time base of chronographic image intensifier recorders. The second technical result of the proposed method is its simplicity associated with ease of implementation.

Технический результат предлагаемого способа калибровки временной развертки хронографических ЭОП-регистраторов, заключающегося в засветке участка фотокатода импульсным лазерным излучением, достигается тем, что при изготовлении электронно-оптического преобразователя (ЭОП) наносят на внутреннюю поверхность экрана, например в начале пространственной оси, теневую пропускающую или запирающую пучок электронов маску, создающую при развертке вдоль временной оси изображение засвеченных или затемненных временных отметок, число которых в оптимальном случае не менее N=10, одновременно с регистрацией исследуемого сигнала подсвечивают соответствующий участок фотокатода, с которого фотоэлектроны попадают на указанный выше сегмент экрана, излучением полупроводникового лазера, работающего в однократном импульсно-модулированном режиме полупроводникового лазера при уровне мощности от 1 до 10 мВт, при длительности модулирующего импульса в микросекундном диапазоне, одинаковом для всех длительностей разверток (так как длительность этого импульса не имеет принципиального значения и должна быть больше самой длинной развертки), связь временных интервалов с соответствующими калибровочными отметками на экране осуществляется по формулам, в зависимости от способа интерполяции формы напряжения развертки, применимым во всем диапазоне длительностей разверток:The technical result of the proposed method for calibrating the time base of chronographic image intensifier tubes, which consists in illuminating a portion of the photocathode with pulsed laser radiation, is achieved by applying a shadow transmission or blocking to the inner surface of the screen, for example, at the beginning of the spatial axis, at the beginning of the spatial axis a beam of electrons a mask that creates during scanning along the time axis an image of illuminated or darkened time stamps, the number of which in in the optimal case, at least N = 10, simultaneously with the registration of the studied signal, the corresponding portion of the photocathode is illuminated, from which the photoelectrons enter the screen segment indicated above, by radiation from a semiconductor laser operating in a single pulse-modulated semiconductor laser at a power level from 1 to 10 mW, when the duration of the modulating pulse in the microsecond range is the same for all scan durations (since the duration of this pulse does not matter and must be greater than the longest sweep), the connection of time intervals with the corresponding calibration marks on the screen is carried out according to the formulas, depending on the method of interpolating the form of the sweep voltage, applicable in the entire range of sweep durations:

Δt=ΔП/(S ·A) - для линейной зависимости U(t),Δt = ΔП / (S · A) - for the linear dependence U (t),

Δti=ΔП/(S·A·n·(i/N)(n-l)) - для степенной зависимости U(t),Δti = ΔП / (S · A · n · (i / N) (nl) ) - for the power law U (t),

Δtk=ΔП·Δτ/(S·(U((i+1)·Δτ)-U(i·Δτ))) - в общем случае,Δt k = ΔP · Δτ / (S · (U ((i + 1) · Δτ) -U (i · Δτ))) - in the general case,

где Δt, Δti, Δtk - временные интервалы, соответствующие калибровочным отметкам для каждой формы зависимости напряжения развертки от времени,where Δt, Δti, Δt k are the time intervals corresponding to the calibration marks for each form of the dependence of the scan voltage on time,

ΔП - геометрическое расстояние между калибровочными отметками, равномерно распределенными на экране вдоль временной оси,ΔP is the geometric distance between the calibration marks evenly distributed on the screen along the time axis,

S - чувствительность отклоняющей системы,S is the sensitivity of the deflection system,

А - скорость нарастания отклоняющего напряжения развертки,A is the slew rate of the deflecting sweep voltage,

i, k - текущие индексы временного интервала между калибровочными отметками,i, k - current indices of the time interval between calibration marks,

Δτ - временной интервал между выборками напряжения при измерении его формы,Δτ is the time interval between voltage samples when measuring its shape,

U(i·Δτ) - значение напряжения развертки в момент времени i·Δτ при измерении его формы.U (i · Δτ) is the value of the sweep voltage at time i · Δτ when measuring its shape.

Что касается размера засвечиваемых или затемняемых временных отметок, то для предлагаемого способа их размер может быть существенно меньше периода между отметками. Так для типичного значения периода между отметками 2-3 мм нанести теневую маску с размерами отверстий 0,2-0,3 мм не представляет технологических проблем. Для уверенной засветки такого элемента хватит даже мощности в 1 мВт, при работе лазера на длине волны, близкой к максимуму спектральной чувствительности фотокатода.As for the size of the illuminated or darkened time stamps, for the proposed method, their size can be significantly less than the period between the marks. So for a typical value of the period between marks of 2-3 mm, applying a shadow mask with a hole size of 0.2-0.3 mm does not represent technological problems. For confident illumination of such an element, even a power of 1 mW is enough when the laser is operating at a wavelength close to the maximum spectral sensitivity of the photocathode.

Сущность изобретения заключается в установлении однозначной связи между калибровочными отметками на экране, создаваемыми электронным лучом с засвечиваемого полупроводниковым импульсно-модулированным лазером участка ФК на области экрана, ограниченной теневой маской и соответствующими временными интервалами, которые используются для временной калибровки при обработке эопограммы. Эта связь осуществляется либо по математической формуле (при простейших формах напряжения развертки), либо путем предварительной (на этапе настройки ЭОП-регистратора) оцифровки в дискретных точках напряжения развертки. Сказанное позволяет изменить режим работы лазера, т.е. снизить требования к его излучению, что ведет к упрощению реализации способа и снижению погрешности калибровки.The essence of the invention is to establish an unambiguous relationship between the calibration marks on the screen, created by an electron beam from a portion of the PC illuminated by a semiconductor pulse-modulated laser on the screen area bounded by the shadow mask and the corresponding time intervals that are used for temporary calibration during processing of the eopogram. This connection is carried out either according to the mathematical formula (with the simplest forms of scan voltage), or by preliminary (at the setup stage of the image intensifier recorder) digitization at discrete points of the scan voltage. The foregoing allows you to change the laser mode, i.e. reduce the requirements for its radiation, which leads to a simplification of the implementation of the method and reduce the calibration error.

Ниже представлено описание реализации предлагаемого способа.Below is a description of the implementation of the proposed method.

На фиг.1 представлены временные диаграммы участвующих в работе сигналов: регистрируемого, импульсного излучения лазера (для прототипа и предлагаемого способа) и развертки.Figure 1 presents the timing diagrams of the signals involved in the work: registered, pulsed laser radiation (for the prototype and the proposed method) and scan.

На фиг.2 показан экран ЭОП с условным изображением нанесенной маски, направление временной и пространственной оси, засвечиваемый участок фотокатода и основные размеры.Figure 2 shows the screen of the image intensifier tube with a conditional image of the applied mask, the direction of the temporal and spatial axis, the illuminated portion of the photocathode and the main dimensions.

На фиг.1а представлен запускающий сигнал Uзaп(t).On figa presents a trigger signal Uzap (t).

На фиг.1б представлен электронный эквивалент регистрируемого оптического процесса, преобразованного в плотность электронного луча на входе отклоняющей системы (ОС) с учетом всех задержек Есиг(1). ОС не участвует в формуле изобретения, поэтому на фиг.2 не представлена.On figb presents the electronic equivalent of the recorded optical process, converted into the density of the electron beam at the input of the deflecting system (OS), taking into account all the delays Esig (1). OS is not involved in the claims, therefore, in figure 2 is not presented.

На фиг.1в - огибающая импульсного излучения лазера Рлаз(t) для предлагаемого способа и Рлаз пpor(t) для прототипа.On figv - envelope of pulsed laser radiation Raz (t) for the proposed method and Raz pror (t) for the prototype.

На фиг.1 г - напряжение развертки (одна фаза) Upaз(t).Figure 1 g - voltage sweep (single phase) Upaз (t).

На фиг.1 приняты обозначения:In figure 1, the notation:

t0 - начало отсчета временных интервалов,t 0 is the origin of the time intervals,

tзис - полная задержка исследуемого сигнала на входе в ОС,tsis - the total delay of the investigated signal at the input to the OS,

t0,5сиг - ширина на полувысоте (ШПВ) исследуемого сигнала,t 0.5 sig - width at half maximum (WPC) of the studied signal,

tлаз - задержка включения импульсного излучения лазера,tlaz is the delay in turning on the pulsed laser radiation,

Тлаз - длительность пачки импульсно-модулированного излучения лазера,Eye - the duration of a packet of pulse-modulated laser radiation,

tзпр - задержка пуска развертки,tzpr - delay start scan,

tзлу - задержка линейного (рабочего) участка развертки,tzlu - the delay of the linear (working) section of the scan,

Траз - длительность рабочего участка развертки.Traz - the duration of the working section of the sweep.

На фиг.2а схематично представлен экран ЭОП с участком калибровки. Маска обозначена позицией 1, схематичное изображение экрана с временными отметками и размерами - 2. Маска создает засвеченные или затемненные временные отметки. На фиг. 2б схематично представлен фрагмент ЭОП-регистратора. Принятые обозначения: лазер 3, участок волоконной линии 4, схематичное изображение фотокатода и засвечиваемого участка 5, засвечиваемый участок фотокатода 6. На фиг.2 использованы буквенные обозначения: ΔПi - расстояние между яркостными отметками, N - число калибровочных интервалов, hфк и tфк - длина и ширина фотокатода, Нрп и Lpп - длина и ширина рабочего поля экрана по пространственной и временной осям.On figa schematically presents the screen of the image intensifier tube with the calibration section. The mask is indicated by 1, the schematic image of the screen with time stamps and sizes - 2. The mask creates highlighted or darkened time stamps. In FIG. 2b schematically shows a fragment of an image intensifier recorder. Accepted notation: laser 3, a portion of the fiber line 4, a schematic representation of the photocathode and the illuminated portion 5, the illuminated portion of the photocathode 6. In FIG. 2, the notation is used: ΔPi is the distance between the brightness marks, N is the number of calibration intervals, h fc and t fc - the length and width of the photocathode, Нрп and Lpп - the length and width of the working field of the screen along the spatial and temporal axes.

Реализация предлагаемого способа осуществляется следующим образом.Implementation of the proposed method is as follows.

Регистрируемый оптический сигнал запускает соответствующий элемент запуска, который вырабатывает пусковой сигнал (Фиг.1а). Регистрируемый оптический сигнал по системе входной оптики передается также на рабочий участок фотокатода. Фотокатод преобразует оптический сигнал в электронный луч определенной плотности, который, пройдя ускоряющую и фокусирующую ЭОП, достигает входа в ОС (фиг.1б). От пускового импульса с требуемыми задержками запускаются импульсно-модулированный лазер 3 и генератор развертки (на чертеже не представлен), обеспечивая сигналы в соответствии с фиг.1 в и 1 г. Лазер 3, в свою очередь, передает излучение, например, по участку волоконной линии 4 и засвечивает участок 6 фотокатода, отведенный для калибровки, обеспечивая в течение длительности развертки постоянную засветку соответствующего участка экрана, развернутого вдоль временной оси на участке с теневой маской 1 (Фиг.2). На остальной площади экрана (или ее части) происходит временная развертка исследуемого сигнала, в виде модулированной по яркости полосы-эопограммы (7 на фиг.2а). Таким образом, после окончания регистрации сигнала имеется кадр, показанный на фиг.2, на котором находится участок с яркостными отметками (не менее 10) и непосредственно эопограмма исследуемого сигнала, который может быть прокалиброван во временной области с помощью яркостных отметок.The recorded optical signal triggers the corresponding trigger element, which generates a trigger signal (Figa). The recorded optical signal is also transmitted through the input optics system to the working section of the photocathode. The photocathode converts the optical signal into an electron beam of a certain density, which, having passed the accelerating and focusing image intensifier tube, reaches the input to the OS (Fig.1b). From the starting pulse with the required delays, a pulse-modulated laser 3 and a sweep generator (not shown) are launched, providing signals in accordance with FIGS. 1 c and 1 g. Laser 3, in turn, transmits radiation, for example, over a fiber section line 4 and illuminates the portion 6 of the photocathode allocated for calibration, providing a constant illumination during the duration of the scan of the corresponding portion of the screen, deployed along the time axis in the area with the shadow mask 1 (Figure 2). In the remaining area of the screen (or part of it), a temporary scan of the signal under study takes place, in the form of a brightness-modulated eopogram strip (7 in FIG. 2a). Thus, after the end of the signal registration, there is a frame shown in Fig. 2, on which there is a section with brightness marks (at least 10) and directly an eopogram of the signal under study, which can be calibrated in the time domain using brightness marks.

Для пояснения сущности изобретения рассмотрим пример, задав напряжение развертки в виде функции времени U(t).To clarify the essence of the invention, we consider an example by setting the sweep voltage as a function of time U (t).

Пусть U(t) напряжение развертки, которое связано с отклонением на экране как U(t)=П(t)/S (1), где S (мм/В) - чувствительность отклоняющей системы, П(t) – отклонение, М - электронно-оптическое увеличение.Let U (t) be the sweep voltage, which is associated with a deviation on the screen as U (t) = P (t) / S (1), where S (mm / V) is the sensitivity of the deflecting system, P (t) is the deviation, M - electron optical zoom.

Чувствительность ОС в общем случае частотно-зависимая величина. Однако при наличии широкополосной ОС, верхняя граничная частота fгp по отклонению луча которой существенно выше активной ширины спектра сигнала развертки fa, чувствительность S с достаточной точностью можно считать постоянной величиной, называемой статической чувствительностью. Если величина frp соизмерима с fa, то частотные свойства ОС можно учесть при калибровке напряжения развертки. Тогда считая, что калибровка производится в дискретных точках при наличии N временных интервалов, равномерно расположенных на временной оси с шагом Δt, длина соответствующего интервала составит (при Δt→0): ΔПi(t)=Δt·S·(dU(t)/dt) (2), где dU(t)/dt - производная сигнала развертки на i -ом временном интервале. Принимаем также длительность развертки на весь экран Tpaзв=N·Δt и при t=Tpaзв, U(t)=Uмaкс.The sensitivity of the OS in the general case is a frequency-dependent quantity. However, in the presence of a broadband OS, the upper cutoff frequency fgp for the beam deflection of which is significantly higher than the active spectral width of the scanning signal fa, the sensitivity S can be considered with sufficient accuracy a constant value called static sensitivity. If frp is commensurate with fa, then the frequency properties of the OS can be taken into account when calibrating the scan voltage. Then, assuming that calibration is performed at discrete points in the presence of N time intervals uniformly located on the time axis with a step Δt, the length of the corresponding interval will be (at Δt → 0): ΔP i (t) = Δt · S · (dU (t) / dt) (2), where dU (t) / dt is the derivative of the scan signal in the ith time interval. We also take the duration of the sweep on the whole screen Tpaz = N · Δt and at t = Tpaz, U (t) = Umax.

Рассмотрим простейший случай линейной развертки, что на практике очень часто оказывается допустимым: U(t)=A·t, где А (В/с) - скорость нарастания напряжения развертки. Из формулы (2) получаем искомую связь геометрического расстояния между калибровочными отметками, равномерно распределенными для данного случая по экрану и соответствующие также равномерным интервалами времени Δt: ΔП=Δt·S·A (3), где Δt=Тразв/N.Consider the simplest case of a linear sweep, which in practice often turns out to be admissible: U (t) = A · t, where A (V / s) is the rate of rise of the sweep voltage. From formula (2) we obtain the desired relationship of the geometric distance between the calibration marks uniformly distributed over the screen for this case and corresponding also to the uniform time intervals Δt: ΔP = Δt · S · A (3), where Δt = Traz / N.

В этом случае, при наличии нескольких значений длительностей развертки Tpj, для каждой из них калибровка будет заключаться в подстройке для каждой развертки необходимой величины скорости нарастания Aj (из 3):In this case, if there are several values of the scan durations Tpj, for each of them the calibration will consist in adjusting for each scan the necessary value of the slew rate Aj (out of 3):

Aj=ΔП/(S·Δtj) (4).Aj = ΔP / (S · Δtj) (4).

При наличии линейной и стабильной развертки со скоростями нарастания, определяемыми по формуле (4), временные интервалы, соответствующие временным отметкам для каждой из разверток, определяться простейшим образом как:In the presence of a linear and stable sweep with slew rates determined by formula (4), time intervals corresponding to time stamps for each sweep are defined in the simplest way as:

Figure 00000002
Figure 00000002

где j - номер соответствующей развертки.where j is the number of the corresponding scan.

Для более сложного случая, когда напряжение развертки (для всех значений Tpaзвj) зависит от времени как:For a more complex case, when the sweep voltage (for all values of Tpaзj) depends on time as:

Figure 00000003
Figure 00000003

где n - показатель степенной функции (может быть и дробным), A1 - калибровочный коэффициент, A1=Uмакс/Tpn (Uмакс - значение напряжения развертки при t=Tp) и А1=A/Тр(n-1), где А - лианеризованная скорость нарастания A=Uмакс/Tp, (В/с). Тогда из формулы (2), подставляя производную функции (6), получим значение длины между отметками, соответствующей i временному отрезку, для j-того номинала развертки:where n is the exponent of the power function (it can be fractional), A 1 is the calibration coefficient, A 1 = Umax / Tp n (Umax is the value of the scan voltage at t = Tp) and A 1 = A / Tp (n-1) , where A is the lanerized slew rate A = Umax / Tp, (V / s). Then, from the formula (2), substituting the derivative of the function (6), we obtain the length between the marks corresponding to the i time interval for the j-th sweep value:

Figure 00000004
Figure 00000004

где ti=i·Δtj, a Δtj определяется по формуле (5), i=1...N - номер соответствующего временного интервала, аwhere ti = i · Δtj, a Δtj is determined by the formula (5), i = 1 ... N is the number of the corresponding time interval, and

Figure 00000005
Figure 00000005

(В/с) - скорость нарастания для каждой развертки, аналогичная линейному случаю, которая должна быть обеспечена при настройке. Таким образом, видно, что в данном случае для каждой развертки при равномерных временных интервалах Δtj, длина отрезков между калибровочными точками получается неравномерной и определяется по формуле (7). Если же необходимо, как в первом случае, получить равномерную геометрическую шкалу, то из формулы (7) получаем (опуская индекс j для каждой развертки) значение очередного временного интервала, соответствующего фиксированной длине интервала между калибровочными отметками ΔП:(V / s) - slew rate for each sweep, similar to the linear case, which should be provided during tuning. Thus, it can be seen that in this case, for each sweep at uniform time intervals Δtj, the length of the segments between the calibration points is uneven and is determined by formula (7). If it is necessary, as in the first case, to obtain a uniform geometric scale, then from formula (7) we obtain (omitting the index j for each scan) the value of the next time interval corresponding to a fixed length of the interval between calibration marks ΔP:

Figure 00000006
Figure 00000006

Таким образом, формулы (5) и (9) определят в двух рассмотренных вариантах временной зависимости U(t), связь временных интервалов с соответствующими калибровочными отметками на экране, при этом скорости нарастания Aj определяются для каждого номинала развертки соответственно по формулам (4) и (8).Thus, formulas (5) and (9) will determine in the two considered variants of the time dependence U (t), the relationship of time intervals with the corresponding calibration marks on the screen, while the slew rates Aj are determined for each scan value, respectively, by formulas (4) and (8).

В общем случае, если для каждого номинала развертки форма сигнала развертки разная и не описывается описанным выше образом, предлагаемый способ калибровки работает следующим образом.In the General case, if for each scan value the waveform of the scan is different and is not described as described above, the proposed calibration method works as follows.

Для каждого номинала развертки, при настройке блока развертки, производится высокоточное измерение формы рабочего участка развертки на М временных интервалах, равномерно расположенных на рабочем участке развертки. Данное измерение может быть выполнено один раз при изготовлении блока разверток при условии обеспечения последующей стабильности форм и параметров сигналов развертки. Это измерение может быть осуществлено, например, с помощью высокоточного аналого-цифрового или цифрового осциллографа с погрешностью ~1-2%. Для учета искажений формы напряжения развертки, вследствие наличия частотной зависимости чувствительности ОС, состоящей из "холодной" (АЧХ ОС как четырехполюсника) и "горячей" (эффекты частотной зависимости отклонения) компонент, при калибровке, напряжение развертки подается на вход аналого-цифрового осциллографа через "холодную" отклоняющую систему ЭОП. При этом форма отклоняющего напряжения будет скорректирована с учетом динамической характеристики "холодной" ОС. "Горячая" компонента может быть учтена при использования выражения для АЧХ с учетом пролетного эффекта (это выражение приведено, например в [5]), для свертки импульсной характеристики (ИХ), определяемой влиянием пролетного эффекта, с напряжением развертки:For each sweep value, when setting up the sweep unit, a highly accurate measurement of the shape of the sweep working section is made at M time intervals uniformly located on the sweep working section. This measurement can be performed once in the manufacture of a scan unit, provided that the subsequent stability of the shapes and parameters of the scan signals is ensured. This measurement can be carried out, for example, using a high-precision analog-to-digital or digital oscilloscope with an error of ~ 1-2%. To account for distortions in the shape of the sweep voltage, due to the presence of a frequency dependence of the sensitivity of the OS, consisting of the "cold" (frequency response of the OS as a four-terminal) and "hot" (effects of the frequency dependence of the deviation) components, when calibrated, the scan voltage is fed to the input of an analog-to-digital oscilloscope through "cold" deflecting system of the image intensifier tube. In this case, the shape of the deflecting voltage will be adjusted taking into account the dynamic characteristics of the “cold” OS. The “hot” component can be taken into account when using the expression for the frequency response taking into account the span effect (this expression is given, for example, in [5]), for convolution of the impulse response (IC), determined by the influence of the span effect, with the scan voltage:

Ukor(t)=U(t-τ)·g(τ), гдеU kor (t) = U (t-τ) g (τ), where

g(τ)=Ψ(|A(ω)| ·ejφ(ω)),g (τ) = Ψ (| A (ω) | · j jφ (ω) ),

g(t) - ИХ ОС вследствие пролетного эффекта,g (t) - their OS due to the span effect,

U(t) - напряжение развертки при измерении,U (t) is the sweep voltage during measurement,

Ukor(t) - напряжение развертки с учетом пролетного эффекта,,U kor (t) - scan voltage taking into account the span effect ,,

А(ω) и φ(ω) - АЧХ и ФЧХ ОС, определяемые пролетным эффектом,A (ω) and φ (ω) - frequency response and phase response of the OS, determined by the span effect,

ψ - обратное преобразование Фурьеψ is the inverse Fourier transform

* - символ свертки.* - a convolution symbol.

После проведения измерений и коррекции вида U(t) для каждого номинала развертки Tj, с шагом Δτ=Tj/M, будут иметься (М+1) значений выборок напряжения развертки: U(iΔτ), i=1...(M+1). Принимая равномерную геометрическую шкалу калибровочных отметок с шагом: ΔП=Lрп/М, где Lpп - длина рабочего поля по временной оси, получаем из ф-лы (2) для каждого номинала развертки:After taking measurements and correcting the form U (t) for each sweep value Tj, with a step Δτ = Tj / M, there will be (M + 1) values of sweep voltage samples: U (iΔτ), i = 1 ... (M + 1). Assuming a uniform geometric scale of calibration marks in increments of: ΔP = Lrp / M, where Lpp is the length of the working field along the time axis, we obtain from the formula (2) for each scan value:

Figure 00000007
Figure 00000007

где k=1...N - номер получаемого временного интервала; i=1...(М+1) - номер выборки при предварительном измерении формы рабочего участка развертки, причем N=M.where k = 1 ... N is the number of the received time interval; i = 1 ... (M + 1) is the sample number during preliminary measurement of the shape of the working section of the sweep, and N = M.

Таким образом, формула (10) позволяет по аналогии с формулами (5) и (9) осуществить в общем случае, для каждого номинала развертки (индекс номера развертки для упрощения в формуле (10) опущен), высокоточную связь временных интервалов с соответствующими калибровочными отметками на экране. Это и позволяет применять предлагаемый способ калибровки временной оси при исследовании пикосекундных импульсных сигналов с помощью хронографических ЭОП-регистраторов, имея для всех номиналов развертки геометрически равномерную высокоточную шкалу, имеющую не менее 10 точек вдоль временной оси, что повышает точность калибровки временной оси для всех номиналов развертки.Thus, formula (10) allows, by analogy with formulas (5) and (9), to carry out in the general case, for each scan value (the scan number index for simplification in formula (10) is omitted), a highly accurate connection of time intervals with the corresponding calibration marks on the screen. This allows us to apply the proposed method for calibrating the time axis in the study of picosecond pulsed signals using chronographic image intensifier registers, having a geometrically uniform high-precision scale for all scan values, with at least 10 points along the time axis, which increases the accuracy of the time axis calibration for all scan values .

Практически это может быть реализовано занесением в ПМО ЭОП-регистратора, для каждого номинала развертки, значений указанных временных интервалов, для последующего вычисления требуемых временных значений на эопограмме исследуемого сигнала. Эти значения могут, при необходимости, поверяться в течение срока службы ЭОП-регистратора.In practice, this can be implemented by recording in the software of the image intensifier, for each scan value, the values of the specified time intervals, for the subsequent calculation of the required time values on the eopogram of the signal under study. These values can, if necessary, be verified during the life of the image intensifier.

Из описания следует, что реализация описанного способа подсветки не требует сложной и дорогостоящей лазерной установки, которая используется в прототипе, что подтверждает достижение первого технического результата.From the description it follows that the implementation of the described method of illumination does not require a complex and expensive laser installation, which is used in the prototype, which confirms the achievement of the first technical result.

Так как для всех номиналов развертки имеется не менее 10 четких и стабильных меток времени, погрешность временной калибровки по аналогии с осциллографией не превысит нескольких процентов [6]. В способе - прототипе, в связи с тем, что число и ширина отметок не соответствуют оптимальным значениям, эта погрешность достигает нескольких десятков процентов, что следует, например, из формул для погрешности калибровки, приведенной в [1].Since there are at least 10 clear and stable time stamps for all sweep values, the time calibration error by analogy with oscillography will not exceed several percent [6]. In the prototype method, due to the fact that the number and width of the marks do not correspond to the optimal values, this error reaches several tens of percent, which follows, for example, from the formulas for the calibration error given in [1].

ЛИТЕРАТУРАLITERATURE

[1]. Патент РФ №1817613 от 07.05.1997 г. “Времяанализирующее устройство для регистрации быстропротекающих процессов”.[1]. RF patent No. 1817613 dated 05/07/1997, “Time-analyzing device for registering fast processes”.

[2]. О.М.Брехов и др. “Калибровка временных разверток фотохронографа "Агат". Ж. ПТЭ №6, 1981 г.[2]. O. Brekhov et al. “Calibration of time scans of the Agat photochronograph. J. PTE No. 6, 1981

[3]. А.М.Прохоров и др. “Коммутатор на GaAs для управления электронно-оптической камерой”. Ж. ПТЭ №5, 1987 г.[3]. A.M. Prokhorov et al. “GaAs switch for controlling an electron-optical camera”. J. PTE No. 5, 1987

[4]. US Patent №4714825 от 22.12.1987, “System for calibrating the time axis of an X-Ray Streak Tube."[4]. US Patent No. 4714825 of 12/22/1987, “System for calibrating the time axis of an X-Ray Streak Tube."

[5]. B.A.Шкунов, Г.И.Семенник. “Широкополосные осциллографические трубки и их применение”. Энергия, 1976 г.[5]. B.A. Shkunov, G.I.Semennik. “Broadband oscilloscope tubes and their application.” Energy, 1976

[6]. А.И.Найденов, B.A.Новопольский. “Электронно-лучевые осциллографы”, М.: Энергатомиздат, 1983 г., стр.205.[6]. A.I. Naidenov, B.A. Novopolsky. “Electron beam oscilloscopes”, Moscow: Energatomizdat, 1983, p. 205.

Claims (1)

Способ калибровки временной развертки хронографических ЭОП-регистраторов, заключающийся в засветке участка фотокатода ЭОП импульсным лазерным излучением, отличающийся тем, что при изготовлении электронно-оптического преобразователя (ЭОП) наносят на внутреннюю поверхность экрана теневую пропускающую или запирающую пучок электронов маску, создающую при развертке вдоль временной оси изображение засвеченных или затемненных временных отметок, число которых не менее N=10, одновременно с регистрацией исследуемого сигнала участок фотокатода, с которого фотоэлектроны попадают на указанный выше сегмент экрана, подсвечивают лазером, подсветка осуществляется в однократном импульсно-модулированном режиме полупроводникового лазера при уровне мощности от 1 до 10 мВт, при длительности модулирующего импульса в микросекундном диапазоне, одинаковом для всех длительностей разверток, связь временных интервалов с соответствующими калибровочными отметками на экране осуществляется по формулам в зависимости от способа интерполяции формы напряжения развертки, применимым во всем диапазоне длительностей разверток:A method for calibrating the time base of chronographic image intensifier tubes, which consists in illuminating a portion of the photocathode of the image intensifier with pulsed laser radiation, characterized in that, in the manufacture of the electron-optical converter (EIT), a shadow mask transmitting or blocking the electron beam is applied onto the inner surface of the screen and creates a mask during scanning along the time axis image of illuminated or darkened time stamps, the number of which is at least N = 10, simultaneously with the registration of the signal under investigation yes, from which the photoelectrons enter the screen segment indicated above, are illuminated by a laser, the backlighting is performed in a single pulse-modulated semiconductor laser mode at a power level of 1 to 10 mW, with a modulating pulse duration in the microsecond range that is the same for all scan durations, the time relationship intervals with the corresponding calibration marks on the screen is carried out according to the formulas depending on the method of interpolation of the form of the voltage sweep, applicable throughout the range azone scan durations: Δt=ΔП/(S·А),Δt = ΔP / (S · A), Δti=ΔП/(S·A·n·(i/N)(n-1)),Δt i = ΔП / (S · A · n · (i / N) (n-1) ), Δtk=ΔП·Δτ/(S·(U((i+1)·Δτ)-U(i·Δτ))),Δt k = ΔP · Δτ / (S · (U ((i + 1) · Δτ) -U (i · Δτ))), где Δt, Δti, Δtk - временные интервалы, соответствующие калибровочным отметкам для каждой формы зависимости напряжения развертки от времени;where Δt, Δt i , Δt k are the time intervals corresponding to the calibration marks for each form of the dependence of the scan voltage on time; ΔП - геометрическое расстояние между калибровочными отметками, равномерно распределенными на экране вдоль временной оси;ΔP is the geometric distance between the calibration marks evenly distributed on the screen along the time axis; S - чувствительность отклоняющей системы;S is the sensitivity of the deflecting system; А - скорость нарастания отклоняющего напряжения развертки;A is the slew rate of the deflecting sweep voltage; i, k - текущие индексы временного интервала между калибровочными отметками;i, k - current indices of the time interval between calibration marks; Δτ - временной интервал между выборками напряжения при измерении его формы:Δτ is the time interval between voltage samples when measuring its shape: U(i·Δτ) - значение напряжения развертки в момент времени i·Δτ при измерении его формы.U (i · Δτ) is the value of the sweep voltage at time i · Δτ when measuring its shape.
RU2003117502/09A 2003-06-17 2003-06-17 Method for calibrating time sweep of chronographic image converter-recorder RU2250531C2 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2003117502/09A RU2250531C2 (en) 2003-06-17 2003-06-17 Method for calibrating time sweep of chronographic image converter-recorder

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2003117502/09A RU2250531C2 (en) 2003-06-17 2003-06-17 Method for calibrating time sweep of chronographic image converter-recorder

Publications (2)

Publication Number Publication Date
RU2003117502A RU2003117502A (en) 2005-02-10
RU2250531C2 true RU2250531C2 (en) 2005-04-20

Family

ID=35208055

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2003117502/09A RU2250531C2 (en) 2003-06-17 2003-06-17 Method for calibrating time sweep of chronographic image converter-recorder

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2250531C2 (en)

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
БРЕХОВ О.М. и др. Калибровка временных разверток фотохронографа "Агат", ПТЭ №6, 1981. *

Also Published As

Publication number Publication date
RU2003117502A (en) 2005-02-10

Similar Documents

Publication Publication Date Title
RU2371684C2 (en) Method and device for measuring time-domain spectrum of terahertz radiation pulses
Tsuchiya Advances in streak camera instrumentation for the study of biological and physical processes
Zinin Stroboscopic method of electro-optical picosecond-resolution chronography and its application in synchrotron radiation experiments
US4461572A (en) Instrument for measuring light emission induced by repetitive stimulation of the same type
GB2188220A (en) Streak camera
RU2250531C2 (en) Method for calibrating time sweep of chronographic image converter-recorder
GB2186113A (en) Streak camera unit
US3445167A (en) Optical sampling scope-stroboscope using a pulsed laser
Montgomery et al. Flat-field response and geometric distortion measurements of optical streak cameras
Tsuchiya et al. Universal streak camera
Rossa et al. Double sweep streak camera for LEP
RU85752U1 (en) CHRONOGRAPHIC ELECTRON-OPTICAL RECORDER WITH TIME-SCAN CALIBRATION
Tsuchiya et al. Two-dimensional sweeps expanding capability and application of streak cameras
JPH056124B2 (en)
Takiguchi et al. Femtosecond streak camera
RU2452926C1 (en) Apparatus for precision measurement of time characteristics of pulsed optical radiation
SU1091250A1 (en) Scanning device
RU2272333C1 (en) Chronograph-type optoelectronic recorder with calibrated time base
Schiller Picosecond streak camera photonics
SU464074A1 (en) Oscillographic method of measuring voltage of arbitrary shape
RU2100815C1 (en) Device which records shape of single optical or electric pulse signals
RU2159446C1 (en) Stroboscopic transducer calibration process
Honda et al. Measurements of picosecond laser pulses from mode-locked Nd: YAG laser
SU1004761A1 (en) Optical signal shape stroboscopic analyzer
Kehrer et al. Diagnostics of longitudinal bunch instabilities at KARA

Legal Events

Date Code Title Description
PC43 Official registration of the transfer of the exclusive right without contract for inventions

Effective date: 20100915

MM4A The patent is invalid due to non-payment of fees

Effective date: 20110618