Физические явления в плазме импульсных газоразрядных источников излучения тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.08 ВАК РФ

ИНСТИТУТ ОВДЕй ФИЗИКИ РОССИЙСКОЙ АВДЕШИ НАУК

На правах руяодксд

1УРЕВИЧ Исаак Моисеевич

вИЗШЖИВ ЯВЛЕНИЯ В ГЛАЖЕ ШПШЗНК ¡.ГАЗОРАЗЕВДШХ ИСТОЧНИКОВ ИЗЛУЧЕНИЯ

01.04.08. Физика и хдаая ллазмы-

АВТОШЕРАТ дассергацш! на созсжашв ученой степ вин доктора cJjiï3KKo-ivaiei.iaïi-:4sciuix наук.

Москва, ISS3 г.

Работа выполнена во Всесоюзном научно-исследовательском институте оптико-физических измерений и Всесоюзной научно-исследовательском Светотехническом институте _________

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук,

профессор А.А.Гухадзе

доктор физико-математических наук, профессор Л.С.Полак .

доктор физико-математических наук, профессор А.С.Сонин

Ведущая организация: Институт высоких температур АН России

Защита состоится « М-д/дта. 199/г.

на заседании специализированного Ученого Совета Л I (Д.001.49.03) ИОФАН России, по адресу: Москва, ул.Вавилова 38.

С диссертацией монно ознакомиться в библиотеке ИОФАН России

Автореферат разослан " фё^ЬлУЯ 199-4 г.

Ученый секретарь

ОЕЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

АКТУАЛЬНОСТЬ ПРОБЛЕМЫ. Начало интенсивных разработок и исследований современных импульсных газоразрядных источников излучения было связано по времени с успехами в технологии производства инертных газов и совершенствованием вакуумной_технйки.:-Олределялись два основных направления разработок: источники света со свободно расширяющимся каналом" разряда и лампы с разрядом, ограниченным стенкой сосуда (трубчатке).

Быстро возрастало применение этих источников излучения в ряде областей науки и техники, таких например, как массовая и высокоскоростная фотография, оптическая локация и связь, ночная аэросъемка и световая сигнализация, фотолиз и фотосинтез и др.

Начиная с 60-х годов особое значение приобрели трубчатые■лампы, как источники накачки лазеров на твердом теле.

Возросшая необходимость в данных о физических и технических характеристиках этих источников излучения стимулировала появление соответствующих публикаций и монографий.

Вместе с тем, публикуемые данные, особенно в начальный период, были, зачастую, противоречивыми, имели отрывочный характер, так как были привязаны к определенным типам -исследуемых ламп и элементов ■ • разрядного контура. На степени их достоверности сказывалось также -отсутствие теоретических основ фотометрии импульсного излучения и измерительной аппаратуры.

Эти обстоятельства, в свою очередь, препятствовали созданию адекватных теоретических представлений о физических явлениях в частично-ионизованной плазме, возникающей при разряде электрического конденсатора на газовый промежуток. С другой стороны, в ряде работ по теории плазмы газового разряда подчеркивалось, что интерпретация физических, в том числе оптических, явлений в частично-ионизованной, слабонеидеальной плазме связана со специфическими трудностями; в двух предельных случаях - в слабоионизованном газе и полностью ионизованной плазме эти явления легче подаются теоретическому толкованию.

В известных работах Бибермана-Нормана, Шготера и др. исследуется непрерывный спектр идеальной плазмы слабоионизованного газа. С ростом плотности плазмы расчеты излучения по предлагаемым там формулам приводят к систематическому отклонению от результатов эксперимента.

Норманом, Кобзевым, Куриленковым и другими авторами был предложен механизм процессов излучения в.плотной плазме, предполагаю-

дщй наличие "провалов" в электронном спектре и "окон прозрачности" в оптическом спектре. Однако эти положения не получили, пока, надежного подтверждения на опыте. ;

Таким образом, в силу недостаточной разработанности теории плазмы.умеренной плотности и расхождения между собой имеющихся экспериментальных ; данных, представляется весьма актуальной про- — блока, являщаяся предаегом'дасЬертацнонной"работы -всестороннее ~ "исследование физических явлений в слабонеадеальной ведебаевской плазме импульсных газоразрядных источников света.

Следует, при этом иметь ввиду, что прикладные задачи, связан ные с применением импульсных источников света, в особенности при наличии жестких энергетических и габаритных ограничений, приводят к необходимости совместного использования источника света и оптического прибора с целью рационального перераспределения потока излучения. Возникающие при этом геометрические аспекты дополнительнс усложняют возможность оптимизации импульсной оптической системы. Создание подобных оптимизированных систем должно естественным образом опираться на результаты исследований физических процессов в плазме канала разряда.

Основную цель данной работы можно, в итоге, представить •двумя направлениями. С одной стороны - это получение углубленной и более адекватной картины физических процессов в умеренно-плотно]' слабоневдеальной плазме импульсного разряда, и, на этой основе, -с другой стороны - создание эффективных оптических излучающих систем с импульсными источниками света.

НАУЧНАЯ НОВИЗНА. Можно выделить следующие результаты, впервые полученные автором:

1. Экспериментально установлена непрозрачность канала разряда мощной воздушной искры для оптического излучения при температуре плазмы 20000-25000 К.

2. Получена уточненная температурная зависимость для куло-новского сечения "элекгрон-ион" в слабоневдеальной плазме импульсного разряда ( £?й(Т)), которая в интервале температур _ 10000-20000 К удовлетворительно согласуется с формулой дда (3 (Т) следующей из теории соударения Кихары, свободной от расходимостей связанных с кулоновским взаимодействием.

3. Построено новое аналитическое выражение для суммарной электропроводности часгично-ионизованной плазмы б^ (Г)^а основе "правила смеси", в котором используется формула для (Т)

и экспериментальные данные о £?,л(т) для инертных газов. Полученное выражение для . (Т) вполне удовлетворительно согласуется с опытом.

4. Представлена аналитическая зависимость мгновенной температуры плазмы от плотности тока типа в импульсных труб- ____■

чатых лампах с инертными газами (К* , Хе ), в которой числовые коэффициенты с* и /Ъ несколько варьируются для"разных "газов

и начального давления. Рассчитанные по данной формуле значения температуры и измеренные рядом авторов различаются не более чем на 5-10%.

5. Получены новые экспериментальные данные о спектральном показателе поглощения в импульсной плазме Л/- г Иь и /е в области спектра 300-700 нм в широком диапазоне температуры и концентрации электронов в плазме.. В результате анализа зависимостей показателя и сечения поглощения атома и иона от определяющих их физических величин (начальная плотность газа, температура' плазмы, концентрация зарядов) сделаны выводы о преимущественной роли тормозного поглощения в плазме средней плотности (Пг^ Ю"^ см~3).

6. Впервые получены спектрально-временные характеристики 'импульсного разряда ограниченного стенкой - экспериментальные-дан-• • ■ ные об изменении в течение вспышки спектра. Хе , а также А А и

/\> трубчатых импульсных ламп.

7. Установлено, что относительное спектральное распределение излучения плазмы импульсного разряда, ограниченного стенкой, в его квазистационарной стадии, остается практически неизменным у разных инертных газов в широком интервале значений и Т и подобным спектру планковского излучателя. Это привело к заключению о том, что в этих условиях трубчатая импульсная лампа с инертным газом представляет собой, как излучатель, "серое тело".

8. Показана и подтверждена экспериментально возможность расчета мгновенного спектра излучения импульсных трубчатых ламп по значениям плотности тока в разряде, которая основана на предложенной

в настоящей работе оптической модели полупрозрачного объемного цилиндрического излучателя,

9. Предложена схема синтеза импульсной трубчатой лампы, являющаяся заключительным этапом решения обратной оптической задачи для импульсной оптической системы и дакщая возможность осуществить замкнутый расчет геометрии лампы и параметров разрядного контура

с результатами оптимальными для данной задачи.

10. Теоретически и экспериментально подтверждена возможность оптимизации некоторых процессов специального фотографирования -ночной аэрофотографии и высокоскоростной фотографии, и создания соответствующих оптических систем и устройств "импульсная лампа - оптический прибор".

— г—:- ц---Показана возможность последовательного■аналитического - -расчета и энергетической оптимизации оптических цилиндрических -систем накачки твердотельных лазеров при задании некоторой предел; ной энергии вспышки импульсного источника накачки.■Разработанные теоретические предпосылки подтверждены экспериментом.

■ 12. Заложены первичные основы импульсной фотометрии - новой области оптических измерений. Исследованы вопросы прохождения све тового импульса через измерительный тракт импульсного фотометра, разработаны методы и проведены экспериментальные исследования и измерения импульсов излучения длительностью 10 -10"*^ сек., временных и спектральных характеристик приемников излучения.

Экспериментально показана правомерность использования в "физической" импульсной фотометрии методов и средств визуальной фотометрии; разработаны методы абсолютной градуировки импульсных • • фотометров ."Создан . комплекс измерительных приборов для исследова ния импульсных ламп, осветительных систем и импульсных лазеров.

, Совокупность результатов представленных в диссертации, и развитых здесь представлений и методов, дают основания для заключения, что в данной работе осуществлено решение научной проблемы, состоящей в необходимости углубления непротиворечивой картины физических явлений в плазме пространственно-ограниченного имцульснс го разряда высокого давления и в построении на этой основе физических предпосылок создания оптических излучающих устройств с импульсными источниками света, предназначенных для решения важных научно-технических задач для народного хозяйства и в специальных целях.

ПРАКТИЧЕСКАЯ ЦЕННОСТЬ работ, включенных в диссертацию состоит в возможности использования полученных экспериментальных , данных в исследованиях и разработках в области импульсного разряд Представленные в диссертации теоретические соотношения позволяют проводить расчеты и прогнозирование физических характерюгик ела-бонеидеальной термической плазмы пространственног-ограничекного. импульсного разряда в инертных газах. К ним относятся зависимост. электропроводности от температуры плазмы, формулы,связывающие температуру с плотностью тока .-последние дают возможность опреде

лить мгновенную температуру плазмы путем проведения простых экспериментальных измерений.

Благодаря предложенной оптической модели трубчатой лампы, как объемного цилиндрического излучателя, в которой используется полученные в работе экспериментальные данные о поглощательной способности* плазмы разряда и рассчитанные по плотности тока значения _ температуры, доказана-возможность" расчета спектральной-плотности "Т . ...потока излучения источника, без проведения сложных оптических экспериментов.

Материалы диссертации подтверждают вполне удовлетворительное совпадение результатов всех предложенных методов расчета и данных экспериментов.

При проведении соответствующих исследований и разработок могут оказаться полезными для специалистов развитые в диссертации методы оптимизации оптических излучакзцих систем, опиращиеся на . решение "обратной проблемы источника света". Построенная на этой основе схема синтеза трубчатой лампы позволяет осуществлять замкнутый расчет геометрических параметров источника и элементов разрядного контура и монет быть использована для целенаправленной разработки импульсных ламп.

Конкретным .практическим.выходом результатов.проведенных.и.с- . следований и разработок являются специальные импульсные осветительные установки для научных исследований (освещение камеры Вильсона, фотографическая регистрация быстропрогекащих процессов), специальные импульсные оптические системы для ночного воздушного фотографирования ( НВФ ) и оптической накачки лазеров на твердом теле. Они были внедрены в техническом исполнении на разном уровне

от серийного промышленного выпуска (установки НВФ), опытных образцов (генераторы световых импульсов для высокоскоростной фотографии) - до действующих макетов (освещение камеры Вильсона, оптическая накачка). Созданные импульсные оптические системы использовались в НИИ при проведении исследований, серийные установки НШ применялись заказчиками для специальных целей.

Большую помощь НИИ, предприятиям и организациям, занятым разработкой и применением импульсных ламп и импульсных лазеров, оказали созданные автором и под его руководством приборы для измерения оптического импульсного излучения.

АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ. Доклады и сообщения автора об исследованиях, проводимых им по теме диссертации были заслушаны на некото-

рых международных конгрессах и многих Всесоюзных конференциях, семинарах и совещаниях по физике и оптике плазмы, в том числе, на X Совещании по согктроскошш .(Львов, 1956 г.), I Всесоюзный конференции по спектроскопии низкотемпературной плазмы (Ленинград, 1973); на 9 Международном конгрессе по высокоскоростной фотограф!® (Денвер, США., 1970); -на_Всесоюзных конференциях и семинарах по физике низкотемпературной плазмы, генераторах низкотемпературной ' плазмы и плазмохимш, (Новосибирск, 1972 г., Фрунзе, 1974 г., Москва 1977, Киев, 1979, Москва 1987), на Научно-координационной сессии "Исследования неидеальной плазмы (ИВТАН, Москва, 1988,1993) на I Всесоюзном Симпозиуме по радиационной плазмодинамике (ИЩ-89 Москва, 1989), на Семинарах теоретического отдела ИОФАН (Москва, 1991) иИНХС АН Россш<1993 г.) на Всесоюзной конференции по физик* электронных и атомных столкновений (Тбилиси, 1975 г.), на Совещаниях по квантовой электронике, в том числе, на заседании секции 0] Межведомственного Совета по квантовой электронике (Москва, 1964 г на Первом Мекведоственном совещании по квантовой элекгроние (Москва, 1965 г.), на Совещаниях секций Совета по квантовой электронике (Ленинград, Москва, 1963, 1968, 1969), на Совещании школы-семинара по лазерному, оптическому и спектральному приборостроению (Шнек, 1986-г.) на конференциях-и совещаниях по газоразрядным и полупроводниковым источникам света, в том числе, на Объединенном Семинаре ГОИ, НйКФИ (Москва, 1965 г.), на П Научно-технической конференции "Состояние и перспективы разработки и производства газоразрядных источников излучения для накачки квантовых генераторов" (Москва, 1977), Всесоюзной конференции по рекомбинационном излучению и полупроводниковым источникам света (Баку, 1971); на конференциях и совещаниях по высокоскоростной Фотографии и кинема тографии, в том числе, на XI Международном Конгрессе по высокоско ростной фотографии (Ловдон, 1974), на Совещаниях по высокоскорост ной фотографии и кинематографии (Ленинград, 1957, Львов, 1959., Ле нинград, 1962, Москва, 1965, на Семинаре "Техника киносъемок, их применение в научных исследованиях и промышленности" (Москва, 19£ на Всесоюзных научно-технических конференциях "Современное состоя ние и перспективы высокоскоростной фотографии и кинематографии и метрологии быстропротекащих процессов". ВНИИОФИ, г.Москва - I97Í 1975, 1978, 1981, 1993 г.), на Конференциях и Семинарах по импул] сной фотометрии (измерение некогерентного я лазерного излучения) в том числе, на Международном Светотехническом конгрессе CÍE ХУЛ (Барселона, 1971), Светотехнической конференции (Москва,

1964), Всесоюзных семинарах "Импульсная фотометрия" - первом (Ленинград, 1966), втором (Ленинград, 1968), третьем (Ленинград, 1970), четвертом (Ленинград, 1972), шестом (Ленинград, 1974), седьмом (Ленинград, 1978), двенадцатом (Ленинград, 1988); на II -Всесоюзной научно-технической конференций по метрологии ¿"технике

"точных"измерений" (Тбялисси;-1971)-: на 17 Всесоюзной- конференции г_______

по ЭЛЛ "и ШГ (Ленинград, 1971 ); на Всесоюзных- научно-технических- — _____

конференциях "Фотометрия и ее метрологическое обеспечение" -ВНИИОФИ, Москва,- 1974, 1976, 1979, 1986 г.

Основные материалы диссертации опубликованы в ЗД работах, получено 8 авторских свидетельств.

СТРУКТУРА И'ОБЪЕМ ДИССЕРТАЦИИ. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и списка цитированной литературы из 375 наименований. Она содержит 347 страниц, включая 101 рисунков, 9 таблиц и список литературы, а также 3 приложения.

Краткое содержание работы

Во ВВЕДЕНИИ дается представление о предмете исследований, результаты которых излагаются в диссертации, обсуждается актуальность проблемы, кратко обозначается ее'содержание й выделяются " результаты впервые полученные автором, излагаются основные положения, выносимые на защиту.

Первая глава диссертации посвящена некоторым вопросам теории импульсного разряда высокого давления. Основное внимание уделяется здесь взаимосвязи электрических и оптических характеристик трубчатых импульсных ламп с инертными газами, разрядный канал которых ограничивается стенками трубки.

Наш подход к проблеме, связанной со свойствами умеренно-плотной недебаевской плазмы определялся тем обстоятельством, что .до настоящего времени, по известным причинам, отсутствует точная математическая теория этого физического объекта.

В связи с этим,при выводе - аналитических соотношений, представлениих в работе, допускались определенные приближения; полученные зависимости не претендуют на математическую строгость, некоторые их них носят феноменологический характер.

В этих условиях особенно ванно убедиться в физической обоснованности допущенных приближений. Второй раздел главы, где рассматриваются общие характеристики плазмы в диапазоне ее плотностей, представляющем интерес для импульсных газоразрядных источников

излучения, посвящен этому вопросу.

Основополагакщим фактором является наличие термодинамического равновесия в плазме, определяющего возможность применения фундаментальных законов равновесного состояния - уравнений Больцмана,

Максвелла, Саха, закона Кирхгофа. - ------~ —:———~ ----

_ Застично-ионизованные. „ хазы " прозрачны во .многих. частотных -интервалах и. по. этой причине .могут находиться лишь в .состоянии. _ приближенного, локального термодинамического равновесия (ЛТР). . Задача состоит в том, чтобы выявить критерий установления ЛТР, определить диапазон значений температуры ( 7"е ) ж концентрации электронов, ( пе), в пределах которого реализуется ЛТР.

Б диссертации предаожено соотношение между /7Й и Те , позволяющее оценить минимальное значение ht .требуемое для установления ЛТР в частично-ионизованной плазме газа с заданной энергией ионизации 1С , при коэффициенте ионизации : .

где ;

£ 0,27 * О, 9? СК

Эта интерполяционная формула следует из соответствующего неравенства, предложенного Сэмпсоном для столкновигельной плазмы, которое 7 , с помощью переменного коэффициента, расщепляется на различающиеся численно два выражения - для нейтрального атома и иона.

Совместное реиение уравнения Саха и неравенства для Г)/ГР, выполняемое графически, позволяет получить 2 однозначно , связанные значения /¡"""и да данного газа при заданном начальном давлении в разряде р0 . В работе представлены с о отве гс твую-щие семейства графиков для А* ( К" и Хе „ значение . Те дж Ксенона в пределах рассматриваемого диапазона начальных давлений, составляет 10000-12000 К, несколько_сниЕаясь с ростом р0 . В более легких газах требуемые значения I ""несколько выше, однако концентрация электронов п£т/' не выходит за пределы пе - то18 с:,Г3. Полученные результаты в основном согласуются с • теоретическими работами других авторов.

Следует отметить, что численные значения пе , используемы' в формуле для г)£тг* к для дальнейших расчетов, получены на ЭВМ с помощью специального алгоритма, в котором учитывается взаимозави симосгь отношения статсуым иона и атома, сникение потенциала ионизации и электронной температуры,согласно известным работам Дравина и Эккерта . Таблицы значений с< ( для

Ah, Хг и Л'е в интервале температур 7", = /.о*- 2-/О4К

(через 100 К) даны в приложении к диссертации.

Дал.ее в разделе 1.2 рассматриваются другие общие характеристики плазмы, определянцие характер физических процессов и возможность их теоретической интерпретации. К ним относятся вопросы о механизме выравнивания температуры компонент плазмы в " электрическом поле, включая его-временной аспект, пространственной однородности канала разряда и степени идеальности плазмы.

3 диссертации приводится выражение для предельного значения начального градиента напряжения Е0 п-ред, при котором разность температур электронов и тяжелых частиц должны составлять не более 1%. Оно получено из соответствующего неравенства, предложенного Гримом, и представлено ниже: _ а

*-о ^ д\ , где А - атом-

ный вес газа, 2 ц - энергия ионизации водорода. Время термали-зации , требуемое для выравнивания температуры электронов

и тяжелых частиц для наименее плотной плазмы Хе , при которой устанавливавтся локальное термическое равновесие -(р0= 100 мм.рт.ст.), составляет - 2,3-10~^с. "Время само-

столкновения £0 , в течение которого распределение по скоростям частиц одного рода приближается к Максвелловскому - на 2 порядка меньше . Длительность разряда большинства неко-

герентных и когерентных источников излучения заметно превышает время терлализации и плазма является максвелловской и изотермической. Рост концентрации электронов способствует установлению равновесия.

Вместе с тем, возрастание /?е приводи* к отклонению плазмы от идеальности.

В диапазоне 7~е и /?е , характерном" для всей совокупности рассматриваемых в работе^источников импульсного излучения, условие идеальности у- &' о* :'¿^ не реализуется в полной степени» и к Т

Величина % находится в пределах 0,05-0,25, и, в основном, плазма является слабойеидеальной, недебаевской. " Существенным является то обстоятельство, что все рассмотренные вше характеристики плазмы можно распространить на весь объем разрядного канала в его квазистационарной Фазе, когда разряд заполняет всю разрядную трубку. Наличие физической однородности излучащего объема в этих условиях подтверждено экспериментами ряда авторов.

1 При исследовании связи с температурой плазмы переносных характеристик в канале импульсного разряда - электропроводности б' и плотности тока J - в работе используется аддитивная формула дня б , известное "правило смеси", следующее из теории Лоренца. При этом нами принимается упрощенная кулоновская модель, не учли ващая вклад в проводимость электрон-электронных столкновений.

.-.•Допустимость этого -Е^-здаолокэапя основано,-—в частное те,"-на сравш нии средних частот-столкновений-электронов менвду собой и с тяжел! частицами с передачей импульса, как это предложено Ыитчнером.

В соответствии с формулой Лэнжевена для максвелловской плазмы с однородной температурой, полученной Ширмером и Фридрихом, как нулевое приближение точной теории, в которой учитываете только вклад в проводимость электрон-атомных и электрон-ионных столкновений, удельное сопротивление плазмы определяется в работ« следунцим выражением:

/пй 4Й ^0м,см le I

, где

и (2,, - соответственно, среднее сечение столкновения

электрона-с-атомом-и ионом...... ' ■— - ^

Для расчета у используются значения <%1((Т), полученные в экспериментах Рондественского.

. Величина б?в/,, входящая в формулу для удельного сопротивления у , представлена в работе уточненной формулой для среднего сечения парных столкновений электрон-ион с большой передачей импульса.

Более точное реду: дарование автором конечного выражения подобной формулы, полученной по порядку величины Ландау и независимо, вплоть до численных коэбйкщхентов, Евоздовером, приводят ее к виду: - _ ^ //5лГ

При этом, соотношение меяду прицельным параметром рт и концентрацией электронов получается расчетов, в котором учитывается достигнутая точность измерения

Расчеты по уточненной формуле для £) хорошо согласуются с -унифицированной формулой Кпхара-Аоно для сечения. электрон-::ок, в которой наиболее точно учитываются эффекты соударений при условии // I ,

что соответствует физическому состоянию импульсной плазмы высокого давления.

Расчеты зависимости электропроводности плазш от температуры С(т) в плазме разряда в инертных газах, в которой используются данные -Рождественского для -<$¿¿--2,- полученная в работе уточ-' ~ ценная формула для Qeí , приводят к результатам близко совпадаю--, щим с экспериментами, выполненными разными автарагли-Эта-иллюстри--руется рисунком, где, наряду с расчетными кривыми б (Т), нанесены экспериментальные точки для начальных условий ( р0 = 200 мм.рт.ст.), где имеется наибольшее число опытных данных. Формула Слитцера, как и в случае с Qet , заметно расходится, как с экспериментом, так игнашими расчетами. Рассчитанный Дкенатом и Поповичем температурный ход б (Т) подобен нашему графику и несколько превышает экспериментальные данные.

В следующем разделе рассматривается связь с температурой другой переносной характеристики - плотности тока (J-). Установление такой зависимости существенно для понимания физических процессов в плазме, т.к. величиной ^ определяется степень омического нагрева", газа л мгновенная мощность, рассеиваемая в разряде.

Рядом.исследователей импульсного разряда аналитическая-зави- • сиплость Т Qj) определялась чисто эмпирически. Вместе с тем^извест-ны работы, где она получается теоретически, в результате использования уравнения энергетического баланса. Александров и рухадзе

решили эту задачу дая непрозрачной плазмы, указав, что плотность тока должна быть не менее 10-20 кА/см^, что не достигается в большинстве режимов работы трубчатых импульсных ламп.

В некоторых других теоретических построениях вносятся иные априорные допущения, в часгноеои,об излучательных характеристиках плазмы - ее полная прозрачность (Ровинский) или "серость" излучателя в ограниченной области спектра (Лама).

В целом, границы применимости концепции энергетического баланса определяются не только сложностью радиационных процессов, но и отсутствием надешшх оценок вклада в общий баланс внеизлучательных энергетических потерь, связанных с расширением канала разряда, потерями на стенках, теплопроводностью и др.

В связи с этим в ряде публикаций признается полезность феноменологического подхода и предлагаются различные методы установления аналитической зависимости, связывающей оптические и электрические характеристики трубчатых импульсных ламп.

Подобная феноменологическая модель наиболее обстоятельно

разработаны Эмметом и Тренгольмом (Модель ТЕ), где в качестве аргументов в формулу для расчета температуры входят плотность тока и диаметр лампы. Однако, как подчеркивают Келли и Браун, при ее выводе маскируется враменно'й ход импульса излучения, а ;формула--в-конечном виде не имеет ясного "физического смысла.

.. ______"Представленная в яапеЁ_работе.фор1Аула.Т(с}У- является резуль- _

. _ татом .сопряжения, двух аналитических-зависимостей - теоретического -соотношения между проводимостью и температурой (о (Т) и эмпирической вольтамперной характеристики импульсного разряда в Хе трубчатых лампах у^) , впервые предложенной Гонзом. Она была получена им при проведении исследований в большом диапазоне электрических режимов трубчатых лампе различных типов и была подтверждена измерениями многих исследователей, включая автора.

Обобщенная в данной работе для трех инертных газов ( Кь, Хе) полуэмпирическая формула имеет вид Т =с*Ю3^К; ^2,

и в зависимости, от рода газа и начального давления расщепляется по значениям численных коэффициентов "а" и "в". Так, например, в Хе а = 1,35 - 1,39 и в = 0,28 - 0,23 при изменении р0 в пределах 200-600 мм.рт.сг.

..... Расчеты по этой-формуле вполне удовлетворительно согласуются с экспериментальными данными: относительная погреыяоеть расчета температуры по предложенному соотношению, оцененная по шести серия! . измерений температуры, выполненных разными авторами, не превышала 2,6$.

Располагая зависимостью Т (р можно, не прибегая к сложным -оптическим экспериментам, определить расчетным путем значения мгновенной температуры плазш, если имеется осциллограмма импульса тока в лампе и провести расчет спектра. Для этого используется оптическая модель импульсной трубчатой лампы, как полупрозрачного цилиндрического излучателя, предложенная в работе.

Б разделе 1.4 диссертации дается краткое описание известных оптических моделей этого источника света. В некоторых из них проводятся расчеты интегрального или среднего за импульс излучения. В других, где рассматриваются мгновенные оптические характеристики, радиация суммируется по всевд спектру, или его отдельным участкам. В основе расчетов лежит схема энергетического баланса, в которой постулируется преобразование всей вводимой в разряд электрической мощности в поток излучения плазмы. Почти во всех этих работах рассматривается канал разряда, прозрачный для оптического излучения, либо другой крайний случай - непрозрачной

плазмы с большой оптической глубиной канала разряда.

Имеются отдельные публикации, авторы которых (Лама, Чёря, модель ТЕ) учитывают реальные свойства плазмы трубчатой лампы, -объемный характер излучения. Однако, некоторые из работ, рассчитанные ш машинный метод расчета, имеют, как указывалось выше, -сугубо феноменологический--характер "(модель--ТЕ)-:;--В"'д!р^1е,-:"где - -используются достаточно сложные температурные модели, вводятся необоснованные упрощения и неоправданные экстраполяции положений теории излучения идеальной плазмы (Биберман-Норман, Шлютер) в область частично-ионизованного разряда с умеренно-плотной слабо-неидеальной плазмой.

В настоящей работе предлагается физически обоснованная про-, стая оптическая модель импульсной трубчатой лампы. Она не является теоретически замкнутой, гак как для расчета используется не аналитическая зависимость для показателя поглощения, а экспериментальные данные.

Для расчета спектральной плотности лучистого потока Ф ('\Т) трубчатой лампы предлагается следущее выражение;

ф(А,Т)=тгг £с12Ч (Л,Т)^ с()

Здесь ^" И '-' длина и внутренний диаметр 'цилиндра;

^''ч('\Т)- спектральная плотность яркости абсолютно черного тела при температуре издучащего объема; Р3 функция, характер-

ная для цилиндрического объемного излучателя, график которой приводится в тексте диссертации.

Формула для Ф '('\7) справедлива да случая, когда пространственно-однородный цилиндрический излучатель подчиняется закону Кирхгофа, т.е. при наличии локального термодинамического равновесия в, плазме рязряда. При ее выводе за основу была принята работа Гершуна по объемному свечению бесконечного цилиндра, следующая из закона Кирхгофа и геометрических свойств полупрозрачного излучателя.

Для получения абсолютных значений 3 (Л/Т) в диссертации предлагается использовать зависимость Т (^ ) и экспериментальные данные о поглощении, приведенные в 3 главе. Они дают возможность определить спектральный показатель поглощения при разных значениях плотности тока и температуры в требуемом спектральном диапазоне.

Результаты сравнения расчетов мгновенного спектра излучения, выполненных по указанной формуле, и экспериментальных данных о мгновенных спектральных характеристиках совпадают с вполне удовлетворительной точностью.

• ВТОРАЯ ГЛАВА содержит результаты экспериментальных исследований спектральных характеристик излучения плазмы в импульсных трубчатых лампах с инертными газами.

Изучалось спектральное распределение в интеграле за импульс

----11-.спекгрально-временные характеристики, -дозволяющие получить

... "мгновенную фотографию" спектра лампы в любой момент, времени з • течение имцульса._ _

При этом изменялась энергия разряда, параметре! разрядного контура, начальное давление и начальный градиент напряжения. Исследовался спектр излучения различных инертных газов и оценивалас: их сравнительная световая и энергетическая эффективность, в частности их эффективность, как источников накачки некоторых активных элементов.

Совокупный анализ результатов измерений интегрального и мгно' венного спектра и литературных данных привел к выводу, что импуль сный излучатель, ограниченный стенкой, является серым излучателем со стабильным спектральным распределением во времени в течение -большей части импульса или его наиболее интенсивной фазы.

Во втором разделе главы рассматриваются некоторые различия в структуре спектра стационарного и импульсного разряда. Они характерны и для линейчатого, и для сплошного спектра. В первом случ это проявляются в соотношениях интенсивности линий, в частности в Ж-область спектра... Оно становится особенно заметным, когда спект тлещего разряда, определяемый излучением практически изолированных атомов, сопоставляется со "спектром импульсного разряда средне: интенсивности. .

Так,.например,линии ксенона А = 4671,2 X и 9799 А изолирова ного атома имеют одинаковую интенсивность, тогда как в импульсном разряде линия 4671,2 А почти не выделяется на фоне сплошногд спек тра, излучение размытой полосы вблизи А = S800 А заме

но превышает'излучение сплошного спектра.

Резко изменяется характер сплошного спектра с ростом градиен и удельной энергии lo , рассеиваемой в импульсной лампе. При ма лих ш наблюдается пла-to в распределении спектральной плотное энергии излучения также, как в стационарных дуговых разрядах. С ростом энергии вспышки происходит перераспределение'импульсного излучения в коротковолновую область спектра: спектр излучения становится серым, подобным планковскому излучателю.

При исследовании интегральных излучагашшх характеристик (раздел 2.3) изучалось влияние двух групп факторов, одна из когор

включала вопросы конструкции и технологии, вторая - параметры электрического режима и разряэдгого контура.

Если не меняется величина начального градиента напряяения Ео, то, практически, остается неизменный относительное спектральное

распределение излучения, хотя емкость конденсатора варьируется. _____

Напротив, изменение Ео, его возрастание приводит к трансформации спектральной характеристики, увеличению доли УФ-излучения и, ~соот- '""" ветственно, сдвигу максимума кривой.в спектре ксенона в "сторону ко-'"' ротких дайн волн.

В аргоне подобный сдвиг (в интервале значений Ео = 100-200 В/см) не наблюдается и отмечается лишь некоторое увеличение интенсивности. ИК-излучения, что связано с появлением мощных линий на границе видимого л ИК-сдектра.

Преимущественное мияние начального градиента напряжения на характер интегральных характеристик обусловлено прямой зависимостью максимума плотности тока от Ео вида J^oiEf , где л = 0,8-0,95; /3= 1,9-2,0. Зто соотношение отличается от рассчитанной Маркыевнчем и Эммегом линейной зависимости от Ео. Имеющееся расхоадё1шё определяется приближенной трактовкой этими авторами трубчатой лампы, как чисто омического сопротивления при решении ими ингфо-дифферешиального уравнения Н L L- контура с 'шлпульсной лампой. Установленная в эксперименте и полученная расчетом связь меяду мгновеннш (максимальным значением) плотности тока и интегральным .спектром излучения определяется тем, что во многих электрических режимах основная доля энергии излучения выделяется в промежуток времени близкий к моменту максимума тока.

По второй группе факторов приоритет в исследованиях был отдан изучению спектра разных инертных газов.

Было подгвервдено преимущество ксенона, как излучателя, отмеченное и другими исследователями. Общий к.п.д. излучения (коэффициент преобразования электрической энергии в эйергию излучения) оказался равным (при Ео = 125 В/см) 48$ в Же, 26% в Av и IS5? в/fe-B интервале А = 250-1100 нм, что удовлетворительно согласуется с данными Оливера и Бэрнса.

■ Данные об энергетической эффективности трубчатых ламп некоторых типов, как источников накачки таких активных элементов, как HI, Q)UrOv:bid /CiF2:полученные в данной работе-,хорошо согласуются с результатами Прохорова и др. в части рубина (12-15$).

С началом широкого использования в качестве активного элемента iтгриево-алшиниевого граната (>]АГ: N/!Vt") скш; известными резуль-

таты исследования криптоновых ламп, как источников накачки -Оливер и Бэрнс установили, что эти источники дают вдвое больший выход лазерного излучения, чем Хе при малых "\\/~нак ( ^ 50 Да); с увеличением_ энергии этот эффект, сводится к минимуму. диссертации Токаревой, (автор - научный руководитель) исследовалась 'эффективность излученшгдяг этйх~же целей "лайп,""наполнёкшх" " хе-К^ смесью. Ее преимущество по" сравнению сККзшипочается'в увеличении срока службы ламп накачки.

Б нашей работе исследовалось также влияние начального давления газа Р0 на спектральные характеристики ламп. Было установлено, что в режимах со средней и высокой энергетической нагрузкой (Е0 до 200 В/см) с ростом Р0 наступает насыщение^ величины спектральной плотности энергии излучения ( А = 0,25-1,1 мкм). Подобное явление отмечалось и другими авторами при меньшей энергии вспышки и в более ограниченной области спектра.

Дана качественная физическая интерпретация этого эффекта, следущая из динамики изменения коэффициента иоы-изации Ы. ., показателя поглощения и пзлучательной способности 1-3(к<1) с ростом начальной плотности газа в случаях, когда (при

этом в формуле Саха с<_ ~ ) • :

Необходимость выбора оптимального значения диаметра лампы для разработчика очевидна и вопрос о воздействии этого параметра на излучательную эффективность лампы, рассматривался рядом авторов. Высказывались соображения о причинах, определякщих снижение энергии излучения, наступащее при достижении некоторого значения 4 . в большинстве случаев указывается, что наличие оптимума связано с уровнем энергетических потерь на стенках'разрядной трубки.

, Предложенная в работе оптическая модель,находящая свое выражение в формуле Ф (А,т) , позволяет дать удовлетворительное физическое объяснение оптшуму энергии с ростом диаметра лампы. Функция Р^Ск-л) , входящая сомножителем в Ф(ЛГО , растет сравнительно быстро при малых "значениях аргумента й ее влияние на' величину Ф(А,Т) превалирует, несмотря на снижение плотности тока и температуры в разряде при фиксированной энергии вспышки.

При дальнейшем росте ^постепенным насыщением функции Т3(х4),определящтл фактором становится снижение ^ , Т и второго сомножителя - яркости абсолютно-черного тела

В целом, результаты исследований интегральных характеристик,

включенный в раздел 2.3, дают определенные возможности для сопоставления теории и эксперимента и расширения представлений о взаимосвязи различных факторов, определяющих существо физических явлений в плазме пространственно-ограниченного импульсного разряда.

В четвергом разделе", посвященном мгновенным спектрально-временным характеристикам Д1мцульсных_грубчатых ламп пред ставлены результаты исследований,. позволивших установить некоторые новые свойства импульсного разряда, ограниченного стенкой, и осуществить прямую проверку справедливости предложенной оптической модели.

В диссертации приведены спектры излучения плазмы инертных га-

■ДРЕМЕННоИ

зов в юг аспекте для ламп двух типов.

В каждой из двух серий осциллограмм монохроматического излучения Хе импульсных трубчатых ламп, полученных впервые, с помощью фотометра УИФ-1, обнаружилось подобие Форш осциллограмм и примерно одинаковая длительность импульсов сплошного спектра излучения разных длин волн в спектральном интервале А = 350-1300 нм. Отсюда был сделан вывод о том, что относительное распределение интенсивности в сплошном спектре сохраняется практически неизменным в течение вспышки.

_ В дальнейшем исследование спектрально-временных характеристик было продолжено в более жестком электрическом режиме разряда в четырех инертных газах - Хе, А^ , Кг- и Л'е .

Здесь результаты экспериментов представлены в виде кривых мгновенного распределения для моментов времени ? = 20, 40, 100, 250, 400 мкс в спекгальном интервале Л = 400-1000 нм; они были построены из осциллограмм монохроматического излучения плазмы Хе, А/~, Иг и/Уе. Графики относящиеся к Т = 40 и 100 мкс подобны по форме." и структуре спектра; характер спектра, относящегося к другим моментам времени - иной, графики уплощаются, увеличивается число линий и полос излучения.

В диссертации приводятся кривые относительного спектрального распределения Аг , Кг и Хе трубчатых ламп, позволяющие сравнить ход мгновенных спектрограмм каждого из этих газов в моменты времени 40 и 100 мкс.; из них следует практическое совмещение двух спектральных характеристик у всех газов.

Тагам образом из непосредственного сравнения мгновенных спектральных характеристик следует, что всюду относительное спектральное распределение сохраняется неизменным в средний период вспышки, когда плазма заполняет объем трубки, эту стадию моино охарактери-

зовать как квазистационарную фазу разряда в импульсной трубчатой лампе. Это свойство спектра импульсной трубчатой лампы наблюдается в условиях, когда, например, энергия разряда в Хе меняется от 170 до 20000 Дж, а длительность вспышки возрастает более, чем на порядок.

____— Учитывая~также, -что стабильность относительного спектра излучения присуща не только „Хе, не _Аг^К^разря^лслевдет^рмнагь,-что обнарукенное.в первом ошге_по_исследо_ванию спектрально-временных характеристик специфическое свойство излучения импульсных трубчатых ламп, не является случайным, а внутренне присуще слабо-неидеальной плазме пространственно однородного импульсного разряда высокого давления в ийертных газах. Оно проявляется в разных электрических режимах, когда мгновенная температура плазмы принимает значения - от 10000 до 20000 К.

Подобная стабильность, определенность относительного спектрального распределения -привела к естественному предположению о "серости" подобного излучателя, о подобии его спектральной характеристики спектру излучения абсолютно-черного тела. Это предположение подтвердилось на опыте рядом авторов.

В нашей работе, в которой изучались спектрально-временные характеристики, были получены также интегральные характеристики импульсной трубчатой лампы со сравнительно малой величиной мгновенной удельной электрической мощности р [ , рассеиваемой в разряде ~ 0,04 Ывт/см^. Спектральное распределение излучения в сплошном спектре такой лампы хорошо воспроизводилось планковской кривой с цветовой температурой 9000 К.

Разряд примерно такой интенсивности был исследован в одном из режимов работы Гонза и Невелла (Р~0,06 МВт/см^). Там результаты исследования были представлены для интегрального за импульс спектра. Однако, схема питания лампы - согласованная 1С линия -автоматически поддерживала в разряде практически постоянную плотность тока "и градиента. Поэтому, следующее из этой работы подобие спектра планковскому, может быть отнесено и к мгновенному спектру Подобная -же серость излучения отмечена Гонзом и Невеллом и в другом режиме - Рг^ 0,3 МВт/см^.

Более интенсивный разряд исследовался в другой работе автора в к*, Кь и Хе, где были получены спектрально-временные характеристики излучения плазмы разряда (Р —0,7 МВт/см ), а также в работ' Лама - для Хе (Р~0,5 ИВт/см®). Во обоих случаях разрядный контур был простым и электрический режим "принудительно" не формировался .

В первой из работ, была обнаружена стабильность относительного спектрального распределения в средней, квазистационарной части импульса .

В статье Лама сопоставляются две спектральные кривые - одна--- -из них, теоретическая - рассчитана а априорном, -предположения.о серости спектра"мгновенного потока излучения в любой момент в течение импульса; другая - представляет собой, полученное измерением, интегральное за импульс распределение. Данные последнего эксперимента существенно расходятся с расчетами автора.

Сопоставление результатов всех рассмотренных исследований, относящиеся к стабильности спектрального распределения и серости излучения, позволяет сделать вывод о том, что эти, эффекты связаны мевду собой и, в общем случае справедливы для определенной, ква-зистадаонарной фазы в течение импульса. Вместе с тем, в разряде сравнительно малой удельной средней мощности и большой длительности, несмотря на изменение истинной температуры плазмы, на протяжении почти всего импульса сохраняется стабильность относительного спектрального распределения излучения.

В третьей главе излагаются и анализируются результаты исследований поглощения оптического'излучения в плазме'разряда трубчатых ламп и в воздушной искре, дается адекватное физическое объяснение явления насыщения яркости излучения плазмы в коротких разрядных промежутках (шаровые лампы).

В последнем разделе главы расчеты относительных и абсолютных спектральных характеристик трубчатых ламп, выполннелные на основе предложенной оптической модели сопоставляются с известными экспериментальными данными.

Во введении к главе отмечается, что исследования поглощения излучения в умеренно-плотной и плотной плазме импульсного разряда проводились, как в разряде, ограниченном стенкой, так и в плазме ударных воля в ксеноне и аргоне. При этом разброс результатов измерений величин, характеризующих спектральное поглощение, полученных разными авторами, заметно превышает погрешность экспериментов, величина которой соответствует 25-30а-

С другой стороны, рамки известной теории процессов излучения в газах Вкбермана-Нормана ограничиваются состоянием идеальной плазмы, а расчеты Кобзева, Куриленкова, Нормана, относящиеся к неидеальной плазме и основанные на концепции "окон прозрачности" в оптическом спектре, не получили пока убедительного экспериментального подтверждения.

Эти обстоятельства убеждают в необходимости проведения шнро-. ких исследований процессов поглощения, которые и были осуществлены в настоящей работе. Их результаты не только дают возможность проверки предложенной оптической модели; как инструмента дюграсчета спектров йзлучения-влазмы импульсного разряда, ~но . _должны .представлять-интерес -для -построеняя-адекватной -теории-оп- г- . тических явлений в слабонеидеальной недебаевекой-шхазме^ -------

В этих условиях собое значение имеет разработка методики измерений пропускания плазмы, позволяющей получить достоверные экспериментальные данные и проведение внимательного анализа погрешности эксперимента.

Во 2 разделе изложены методика и результаты измерений коэффициента пропускания в канале импульсного разряда в инертных газах Ль, кь и Хе. Эксперименты проводились в широком диапазоне физических параметров плазмы - концентрация зарядов изменялась на 1,5 порядка: от 2-ю17 д0 7-Ю18 см-3, температура плазмы - в пределах 9100-17700 К.

Отличительной особенностью методики измерений являлось использование в качестве просветляющего оптического зонда импуль-. сного перестраиваемого лазера на красителе типа ЖСИ-502 с накачкой азотным лазером "Кабальеро". Мощность зондирующего импульса длительностью ~ 10 не составила ~ I к ВТ,ширина линии излучения - I нм, диаметр пучка на выходе - 0,05 см, при расходимости ~ 2,5 мрад.•

Прозрачность плазмы измерялась в спектральном диапазоне А = 337-700 нм при дискретных значениях' А = 337, 450, 575, 650, 700 нм в области непрерывного спектра импульсных трубчатых ламп, бывших объектами исследований. Начальное давление газа, заполнявшего трубки одинаковых размеров (внутренний диаметр - 5 мм) изменялось от 200-1000 ш.рт.ст.

Малая ширина лиши излучения лазера обеспечивала спектральную чистоту опытов, небольшая длительность импульса - точную фиксацию момента прохождения его через разрядный канал.

При измерении пропускания лазер работал с заданной частотой и на экране осциллографа фиксировался импульс излучения лампы и зондирующий импульс в разные моменты вспышки. Отношение амплитуд зондирущего импульса при горящей и холодной лампе давали коэффициент пропускания X . Одновременно с прохонэдением просвечивающего луча регистрировался ток лампы, что обеспечивало привязку

значения коэффициента пропускания к мгновенное значегапо плотности тока. Это давало возможность получения зависимости % от плотности тока и связанных с нею других физических характеристик плазмы. В частности, температура рассчитывалась по приведенным выше формулам Т(^). Погрешность подобного расчета, проводившая- . -ся--с ■исшльзЬвс^ём"'экспершлентальннзгзависамй01ей Т(^), полученных разными авторами, наших формул Т(^) и измеренных значений Т , не превышает, как указывалось выше,+ 2,6%.

В диссертации проводится всесторонний анализ точности прямых измерений . Статистическая обработка результатов измерений показала, что суммарная огносигельная случайная погрешность.измерений коэффициента пропускания находится в пределах 3-4$.

Специальное внимание уделено оценке неисключенных'систематических погрешностей измерений б . В качестве источников 9 рассматривался нагрев плазмы'лазерным лучом, вклад собственного излучения лампы, влияние неоднородности плазменного канала вдоль канала и по ходу зондирующего луча и, наконец, - неустранимая аппаратурная ошибка измерения амплитуды импульса лазера на осциллограмме, оказывагацая'наибольшее влияние на величину 0 .

" Расчеты'также ' показали, что в"условиях проведения'наших экспериментов (при данных значениях X , Р0, ^ ) величина относительной систематической погрешности определения спектрального показателя поглощения ^ укладывается в пределы 1-6%.

В целом,анализ' точности экспериментов'позволяет сделать вывод о достаточной надежности их результатов. Это является существенным для возможности использования данных о и определяет степень достоверности приведенных в работе зависимостей для спектрального показателя поглощения, удельного коэффициента поглощения на один нейтральный атом и ион, а также ^ - факторы Бяберма-на-Нормана. Характер этих зависимостей, иллюстрируемых рисунками, приведенными в диссертации, дает основание дал определенных выводов о свойствах импульсной плазмы умеренной плотности разряда в инертных газах.

Это, в первую очередь, относится к зависимости показателя поглощения от плотности тока. В плазме ксенона, эта зависимость, будучи нелинейной, несколько изменяет свой характер с ростом интенсивности разряда и увеличением длины волны поглощаемого излучения/

В средненнтенсивных режимах ( 5 к-^/см^)имеегся квадратичная зависимость ¡£л от ^ ; она наблодается во всем диапазоне

исследованных начальных давлений и"сильнее оказывается с ростом длины волны. В Яь плазме, -напротив^охраняется линейная зависимость хЛ(;)) .

В четвертом разделе главы приводятся экспериментальные зависимости от длины_волны и концентрации электронов сечений поглощения атома и иона и ^ - фактора Внбермана--Нормана в плазме ксе-' "^нона-с "различной тзтепеныо"неидеальностиг Они~включают результаты^ '"^извеатныетгз"литературы и полученные" другими авторами, которые сопоставляются с некоторыми теоретическими расчетами.

Расчеты удельного коэффициента поглощения, отнесенного к одному иону - и одному нейтральному атому -ъе/л^ показали, что = возрастает пропорционально , тогда как сече-

1 ГЪь Г1 ■ , .

ние поглощения атома мало изменяется с ростом /г, (и р9),

оставаясь практически постоянные :.

Подобная динамика процессов поглощения, связанная с ростом электронной концентрации, приводит к заключению, что в умеренно- . плотной плазме поглощение- оптического излучения, определяемое взаимодействием фотон-электрон-ион, начинает превалировать над процессами, вызываемыми изменениями электронных состояний в атоме при воздействии фотонов. Все более заметную роль приобретает тормозное поглощение. Шесте с тем, результаты экспериментов'на со-" гласуются с формулой Крамерса, как по частотной зависимости сечения поглощения , гак и по абсолютной величине. Так, например, при Т = 14000 К и Р0 = 400 мм теоретическое значение в^к-(Л - 700 нм) в 4 раза меньше экспериментального. В этой связи рряд-ли мокно считать оправданным встречащиеся в литературе применение "водородной" формулы Крамерса в теоретических построениях, относящихся, в частности, к слабонеидеальной плазме инертных газов

Расчеты удельного коэффициента поглощения (на один атом) в

слабоионизованной плазме ( см-3) показали, что

спектральная зависимость , полученная на опыте, удовлет-

ворительно согласуется для дайн волн Л < 500 нм с теорией Бибер-мана-Нормана, а гакне с результатами Янкова и Щербакова, получении ми суммированием энергии уровней. В более поздней работе Воробьева, где отсутствует провал для значений в даиноволновой части спектра, имеется согласие теории с экспериментом в интервале А -300-700 нм.

Результаты расчета ^ - фактора Шбермана-Нормана, проведенные для тех-нсе условий ( Ъ^Ч.юР см~^) также согласуются с

теорией. На рисунке, где дается^зависимость^ ^ - фактора от концентрации электронов/мошо'видеть "'в* какой мб-ре при изменении концентрации электронов совпадают 'теоретические и экспериментальные результаты разных авторов. В плазме малой плотности наши результаты -вполне"удовлетворительно согласуются-с дан----

• шгл; ,Г.снгера. При больиих"_значениях их-можно- сравнить с резуль-^ ...татами. Волкова .и. др. .„для с.уч.ет.ом погрешности, этих. __

измерений монно считать, что имеется совпадение с нашими данными..

Сравнение с теорией Екбермана-Нормана показывает, что имеющееся согласие с экспериментом в плазме малой плотности нарушается с ростом концентрации электронов. Рассчитанная по нашим данным величина систематически снинаегся с увеличением по сравнению с теорией и проходит через слабый минимум, где ^экс = 9>5 7 хеор

Наша экспериментальная кривая такке отличается от" расчетных графиков ^(пг), представленных в работе Кобзева, Куриленкова и Нормана; правомерно сравнение с кривой "2", где принималась во внимание нереализация уровней атома с энергией меньшей ЛЕ (Е - потенциал ионизации). В работах этих авторов, где учитываются только процессы фотоионизационного поглощения, эффект нереали-_ зации уровней связывается с "мягкой щелью" - провалом в электронном спектре, возникновение которого обуславливается межчасгичным взаимодействием в плотной плазме. Не исключено, что обнаруженное в наших экспериментах более заметное снижение ^ и удельного ко. эффициента поглощения по мере возрастания ПЬ) по сравнению с расчетами Кобзева и др., определяется не только изменением характера фотоионизационного поглощения, но и процессами, обязанным]?! свободно-свободными переходами в слабонеидеальной и неидеальной плазме.

В пятом разделе 3 главы рассматривается вопрос о предельных оптических характеристиках источников высокой яркости со свободно расширяющимся каналом разряда и выводится формула для яркости разряда. Она позволяет получить удовлетворительное объяснение открытому ранее Вулвфсоном и Чарной явлению насыщения яркости импульсного разряда в шаровых лампах при увеличении вводимой в разряд электрической энергии.

Расчеты показали, что достигаемые в опытах предельные значения яркости и температуры плазмы сохраняются неизменными благодаря' тому, что плотность тока в разряде перестает возрастать с ростом начального напряжения, а особенности селективного характера явления насыщения является следствием зависимости спектраль-

ного показателя поглощения от атомного номера газа и его начального давления.

В 5 разделе упоминается также о впервые полученных автором в экспериментах с открытой воздушной искрой доказательства того ■ факта, что, при достаточно высокой концентрации энергии., канал__^ воздушной искры является абсолютно - черным излучателем в.-тече-. "ше'-начальной'"фаза'^разрядного" "ШцульсаГ"-"--"В шестом разделе приводятся результаты расчетов относительной и абсолютной спектральной характеристики трубчатых ламп, которые позволяют непосредственно установить справедливость формулы для спектральной плотности потока Ф (А ,Т)/следующей из предложенной в работе оптической модели излучателя.'

Такая возможность представилась благодаря проведению упоминавшихся выше экспериментов по изучению временного хода спектра излучения, в которых указывались соответствующие значения плотности тока. Это давало возможность связать мгновенный спектр и мгновенную теш ера туру, используя соотношение . Необходимые

значения спектрального показателя поглощения входящие в

формулу для Ф(Д/Т)следовали из работы автора по измерению поглощения, которой посвящены разделы 3.2-3.4 диссертации. •■ ■ В шестой раздел включен-краткий-обзор известных'автору других теоретических работ, по метода!,1 расчета излучения импульсных трубчатых ламп (Черд, Лама, Андреев, Гюнгер, Литвинов). В некоторых из них расчеты относятся к идеальной плазме (Т-'ЮООО К). В большинстве случаев имеется несоответствие экспериментальных данных и расчетов, далеко выходящее за пределы ошибок эксперимента. Теоретические модели, на основе которых проводятся расчеты^слокны и в них зачастую используются недостаточно обоснованные упрощения реальных физических процессов в плазме разряда.

В целом, точность расчетов абсолютных спектров импульсного излучения в указанных работах намного меньше, чел дает наша модель. '

Для сопоставления результатов экспериментов и расчетов отношения спектральных потоков по формуле дая <Р(>-|7)были использованы спектрально-временные характеристики Хе, А*- и К^ трубчатых ламп, приведенные во 2 главе диссертации; по графикам и формуле определялось соотношение нонохромятичгип* потоков для двух значений Л в квазкегащюнарной фазе разряда при двух значениях плотности тока для каадого газа. В тексте диссертации приведены соответствующие таблицы.

Расхождение в величине Ум = ^ ' где ~ ^ ш' а X, » 700 юл ,сосгавляот прп данном значении плотности тока и температуры 15,3$ к 16$ для Хе, 10,2$ и 4,7$ для А^ п 5,5$ и 27,5$ для К»- . Таким образом теория дает согласие с экспериментом в пределах 5-15$. Выделяицийся из общей картины результат для одной мгновенной спектральной характеристики в криптоне, .. определяется, особенностью .ее структуры. ...

. ~~г~Для'расчета-абсолютных"данных о спскгре излучения мы'ра'сло- ' лагали двуш работали - ТЬнза'и Невелла и Игнатьева.

Б первой работе приведены абсолютные данные о спектральном к.п.д. излучения Хе импульсной лампы при двух значениях плотности тока, соответствующих истинной температуре 10500 К и 14300 К. По этим-данным были рассчитаны соответствующие значения спектральной плотности потока Отклонение расчетных результатов от эк-

спериментов составляет при Т - 10600 К не более 8,7$, при Т = 14300 К для длины волны ' X = 700 нм' Д = 13,4$ и для А =350 нм ~ 29$. Погрешность измерений к.п.д. по данным авторов работы -8-10$.

В работе Игнатьева проводились абсолютные измерений излучения трубчатой лампы, отличающейся по габаритам, энергии вспышки, начальному давлению Хе и схеме включения от предыдущей лампы. 'Расчеты' ' Ф (•Мг)' проз оделись-для' момента вршени," соответствуете-' 1лу максимуму ^ = 2700 А/си^. Расчетные и экспериментальные значения Ф^Лотличаются па 8$ для длины волны А = 700 нм и 26,5$ для А = 400 нм. Большее отклонение расчетных значений от эксперимента для X - 400 нм1определяется известным снижением точности эксперимента в коротковолновой области спектра.

В целом, проведенное сопоставление теории с данными экспериментов ■ разных авторов позволяет, как нам представляется,'вынести'суждение об адекватности предложенной модели физическим процессам, происходящим в умеренно-плотной плазме шпульсного разряда, ограниченного стенкой. Существенно, что эта модель является последним звеном в ряду теоретических построений автора, относящихся к переносные характеристикам и процесса».! излучения.

Таким образом, удовлетворительное согласие с опытом на всех . стадиях исследования подтверждает обоснованность и полезность применения на практике развит ' автором в работе теоретических приближений для описания картины физических явлений, происходящих в слабонеидеальной плазме канала разряда импульсных трубчатых ламп.

В четвертой главе развивается идея синтеза импульсного излучателя - трубчатой лампы-с физическими характерцетиками, отвечающими требованиям, предъявляемым к специальным излучающим устройствам или системам. Синтез источника является заключительной стадией, решения обратной-оптичеекай-.задачи при-разработке_____

этих- систем и_в- нем реализуются результаты .исследований, физических явлений в плазме разряда, .полученная.в настоящей.работе-и. описанные в предыдущих' главах. В пятой главе излагается принцип обратных оптических задач и критерии оптимизации систем.

В работах других авторов, как правило, "решались задачи анализа - оптические характеристики источника рассчитывались исходя из их зависимостей от геометрии лампы, энергии вспышки ~у\г , данных разрядного контура Ш, С,ъ ). В немногих работах решались частные. ■ задачи синтеза - оптимизации лампы накачки по максимуму энергии в выбранных полосах поглощения активных элементов либо • по наименьшей длительности импульса излучения.

Нашей целью являлось создание метода расчета в достаточно общем виде, позволяющего получить оптимальные, технически реализуемые .решения для геометрии лампы и параметров контура.

Для этого была построена система аналитических соотношений, связывающих между 'собой характерно гики разрядного "канала, режим работы источника и параметры схемы включения. Величины, входящие в эти соотношения, можно разделить на четыре группы. К первой группе мы отнесли мгновенные удельные физические характеристики плазменного столба, - температуру Т, электрические свойства - ^ , Е, ^ , а такие мгновенное омическое сопротивление разрядного канала - К. Сюда включены такие такие оптические характеристики плазмы, как показатель поглощения и и коэффициент черноты £ . Была составлена группа из 5 формул, в том числе полученные в настоящей работе зависимости 5 (") к Т

Вторая группа объединяет начальные характеристики разрядного контура Мг0 , Е0, "\7,> - начальное напряжение на конденсаторе и параметры схемы включения - Б,и , С.

В диссертации приводятся известные соотношения между ними, разлпчаицпеся для обычной ЕС и БЬ С схемы и искусственной 1С - линии. Различаются по виду п формулы, связывающие длительность т-щульса тока с параметрами контура в ЕС, ЕЪ С контуре и искусственной линии, которые выделены в третью-группу.

. Четвертая группа параметров, учитываемых в схеме синтеза импульсной трубчатой лампы - эксплуатационные характеристики, полученные рядом авторов на большом экспериментальном материале.

В нашей работе были использованы эмпирические зависимости, связывающие срок службы лампы (/У) с отношением предельной и номинальной (^ом) энергии вспышки, а также - величину Жп^ед

с длительностью импульса тока X к размерами источника света. Из последней зависимости следует пропорциональность 14/1поп

-1ЛГ-

и площади центрального сечения трубки; увеличение}^до значения ' "'^¿^д"соответствует числу-всдышек--/У-=--Г,-что эквивалентно-взрн-"-ву лампы. Справедливость последнего утверждения была-установлена " автором ранее, случайно, в одном из экспериментов, когда было зарегистрировано мгновенное повышение интенсивности излучения при -взрыве мощной импульсной лампы.

Несмотря на некоторую специфичность расчетных методов описанной системы аналитических зависимостей для разных импульсных излучателей, эта система, в целом, дала возможность построить •замкнутый метод расчета трубчатых ламп и оптических излучающих систем.

В разделе 4.3-4,5, 5.5 показано,как использовались эти зависимости при создании источников света, предназначенных для оптических систем ночного воздушного фотографирования, сверхскоростной фотографии и оптической накачки лазеров, а также для ■ импульсной-фотометрии-и. метрологии............ ... ,

Особое место среда разработок занимают источники излучения, предназначавшиеся для работы в условиях жестких габаритных . Е энергетических ограничений; это относится к излучакщпм системам, предназначенным для импульсного освещения различных объектов - ' маршрутов ночной аэрофотосъемки, процессов сверхскоростного фотографирования предметов,движущихся со сверхзвуковыми скоростям!,

активных элементов лазеров на твердом геле.

Имеются определенные особенности применения предложенных методов синтеза в каждом случае, которые состоят в различии методов габаритного и энергетического расчета источника и параметров контура, в большей или меньшей степени их полноты.

Геометрические параметры импульсного источника света для ночного воздушного фотографирования (НШ) определялись поэтапно, причем учитывались специфические свойства и параметры оптического прибора, который формировал световой пучок, - параболоидного отражателя, размеры прямоугольного тела свечения, подобного освещаемому кадровому полю, были получены с помощью предложенного в работе "обращения" известных формул расчета углов светового пучка в отражателе. Учитывая, что без ущерба для конфигурации пучка,

светящийся прямоугольник мог быть заменен цилиндром соответствующее размеров, в систему уравнений, определившее длину и диаметр светящегося канала разряда, были включены размеры цилиндрической спирали.

Разработанная,в соответствии с проведенным расчетом,импуль---сная-ламла;~вбеспечила в совокупности с отранателем, основные .. требовашя к оптагаеской^сиетше^ ночног^

ходимый мишмумколичества освещения на земле.и равномерную " освещенность кадра, (раздел 4.4).

При решении задачи создания эффективной системы накачки лазера, в которой достигается наибольший коэффициент передачи потока 17 , необходимо бняо учитывать установленные заданием жесткие ограничения величины энергии вспышки лампы и заданные, размеры -

активного элемента (раздел 4.5 и 5.4).

Б отличие от задач фоторегистрацяи (НВФ, скоростная фотография) здесь, априорно, не был определен тип оптического прибора, концентрирующего излучение лампы. Взаимосвязанные параметры источника и оптической системы предстояло установить в процессе исследований. Известные методы расчета цилиндрических оптических систем накачки не отличались достаточной строгостью и не учитывали реальные..оптические свойства источника. -В связн-с этим, в процессе проведения настоящей работы, был создан оригинальный аналитический метод расчета, в основу которого были положены работы Гершуна по теории множеств и объемного свечения цилиндра. Развитая применительно к геометрической совокупности-активного элемента, источника накачки и отражающих поверхностей ока позволила установить зависимость коэффициента передачи потока лашы приемнику от отношения их радиусов и эксцентриситета эллипсоцг-шгндркческого отражателя.

Проведенные расчеты позволили сделать вывод об оптимальных значениях эксцентриситета для одно- и двухэллипеной системы. Вместе с тем, во всех случаях,геометрический расчет показал, что наиболее эффективен по величине I] - нитевидный излучатель

0), не являющейся физическим телом; с другой стороны, увеличение радиуса лаш^вело к ионотонному снижению коэффициента передачи потока (при данном р )

Задача выбора оптимального значения ^ была решена с помощью предложенной в работе идеи энергетической оптимизации этой величины в условиях, когда задана энергия вспышки лагдш накачки.

В качестве критерия максимальной энергетической отдачи была

выбрана наибольшая допустимая плотность электрической энергии ы /¿»Ц/. Как было установлено в эксперименте, удельная световая энергия » излучаемая единицей объема плазменного канала, определяется величиной ш . и не зависит, в широких пределах, от диаметра лампы. - - _____

. ^.Решение задачи было получено графически _пугем построения "двух видов зависимоеги"сзвёТовой "энергшГлайпы "(£*'" от"её~дца-метра"- один график строился дзда"условий" постоянства^предельной нагрузки ¿¡3 = 250 Дж/см3, во втором - СС£ - энергия, концен-трируеглая на. активный элемент (кристалл Кб) при одинаковой электрической энергии W ограниченной значениями 600 и 1000 Да. Точка пересечения кривых соответствовала значению диаметра лам-ш, при котором заданная энергия вспышки (W*n ) обеспечивала наибольшую величину световой энергии, собранной на кристалле оптической' системой.'

Результаты теоретических расчетов были подвергнуты экспериментальной проверке по выходной энергии лазерного излучения кристалла рубина, который был помещен в систему с оптимальным эксцентриситетом (е = 0,3) и облучался лаша1ди разного диаметра. Было получено хорошее согласие теории и эксперимента, которое •отмечается-в-4-разделе'S-главы.- ...... '"■ " ..■■■■.

Б третьем разделе главы дается краткое описание импульсного источника излучения, разработанного автором во ВШИОШ с целью создания установки высшей точности для импульсной фотометрии и спектрофотометрип. Б качестве основы для создания образцового источника бьша выбрана Хе отпаянная трубчатая лампа с большей оптической глубиной разряда.

Ее расчет проводолся по разработанному методу синтеза источника света с исходными данными, отвечающими средним излучатель-ным характеристикам большиетва применяегдых трубчатых ламп (температуры плазмы^1 эВ). Граничная длина волны, при которой обеспечивается коэффициент черноты' б —1,0, была прпнята равной

А = 350 нм. Разрядный контур з виде LC-лишш обеспечивал неизменность электрических и оптических характеристик в течение практически всего шпульса тока.

Используя данные о зависимости переносных характеристик от температуры и спектрального показателя поглощения от плотности тога, которые содержатся в предыдущих главах и решая соответ-ствукщую спсткду уравнений, включавшую формулы, относящиеся к разным характеристикам источника, мы однозначно определили

искомые параметры лампы - размеры тела свечения, энергию вспышки (\\Г = 580 Дк) и данные ЬС-лннли.

Измерения яркости столба плазиы (со стороны торца лампы), проведенные с помощью фотометра УШ-2, показали хорошее совпадение с расчетом: измеренное значение визуальной яркости -=Т,Э6-Г019 шт, "а яркость АЧТ при Т = 12000 К -

------г-г2-ДЬ'Х-^®-нмг^-!Ь1ро-ло1ичэсйп.е-ивс'дедования ^ЮЕ-г-вердагс:' "ста~—.-

: -б1гльнесть-нланковското шшульсного излучателя: - коэффициент -вариации равен ~ 1,55?, а снижение яркости излучения в течение задазшого срока слукбьг (10000 вспышек) оказались в пределах расчетной величины (0,8^).

Шестой раздел глаш посвящен источникам света наносекундной и субнаносекундной длительности, созданным для исследований временных характеристик приемников излучения и сверхскоростной фотографин. В ней также кратко описаны газоразрядные устройства для лазерной техники - разрядника, управляемые лазерным лучом.

3 отличие от разборных конструкций наносекувдных, преимущественно воздушных, ламп-камер, не отличащихся стабильностью параметров, во ВЖС'Л разрабатывались отпаянные лампы с разным наполнением. Зто давало возможность получить источники с различной длительностью-и .интенсивностью свечения. .... . ..............

Исследования показали, что наилучше результаты дают /Уе-У лашы, в которых достигается заметно большая амплитуда силы света при несколько меньшей длительности свечения. Наименьшая длительность фронта светового импульса в таких лампах составила 10-15 не при длительности импульса ^ 50 не. Лампа ИШН-1 подобного иша была освоена в опытном производстве ЗНИСИ и использовалась рядом организаций.

Неоно-азотное наполнение позволило заметно увеличить визуальную яркость канала в сравнении с серийными ксеноновыми шаровыми лашаш субшкросекундной длительности при одновременном укороченш светового импульса.

В 70-х годах в лазерных установках с самосинхронизацией мод начали применяться разрядники, управляемые лазерным лучом, дая выделения единичного импульса из цуга ■ пикосекундшх импульсов ш ультракороткой части ыонокшульса. Зто- был!-:, как правило,разборные камеры, неудобные в эксплуатации и с плохо воспропзводкшш характеристиками.

Во ВШ'ИОФЯ автором и его сотруднпкаш• были созданы оригинальные конструкции ыеталлокерамргческкх отпаянных разрядников

высокой чувствительное гик инициирующему излучению и быстрого действия. В качестве разрядной среды использовался азот или смесь аргона с азотом. Срабатывание разрядника происходило от импульса нанос екундной длительности и пу.га ликосекундных импульсов.

Минимальное.время, задеожки.при поджи.ге_мо_нримпульсом с. " энергией'подашга'Л^^б-10"' да составило7" 15-25"hcv Вреш задержки не: превышало" ID lie ~при воздействии цуга о и но секундных ~ импульсов.

Разрядники оказались более чувствительными и лазерному излучению пико- и наносекундной длительности, чем другие известные" образцы. Они были использованы в Ленинградском оптико-механическом объединения при разработке устройств -для "экспериментальной установки ФИАН мша УМК-35, предназначенной для исследования проблемы термоядерного синтеза.

С помощью этих разрядников удалось зарегистрировать на экране S0ÍI ппкосекундные импульсы и исследовать их тонкую структуру.

В пятой, заключительной главе диссертации представлены материалы исследований а разработок автора в двух направлениях,, 'имеющие,' как теоретический', так и-прикладной-характер.•; Они- тесно - ■ связаны с исследованиями физических явлений в плазме импульсного разряда к созданными на этой основе эффективными импульешш источниками света - трубчатый лашаш различных типов.

Одним из направлений является исследование и разработка импульсных излучающих устройств,представляющих собой объединенные в единой оптической системе протяженные источники света и катоптрические Со тракательные) приборы, предназначенных для решения специальных проблем в области ночной аэрофотосъемки и сверх-скоростной фотографии, а также оптической начаки лазеров.

Развпиге второго направления - разработка аппаратуры для измерения импульсного излучения - явилось непременным условна« для возможности осуществления всесторонних исследований оптических процессов в импульсной разряде, сищулирозало расширение диапазона исследований и увеличение точности измерений.

Использование импульсного излучения для освещения (облучения) в условиях жестких энергетических, габаритных и весовых требований к объектам требует оптического усиления билы излучения источников света в направлении освещаемого объекта. Подобное усиление достигается обычно путем перераспределения потока

излучения в просгранетве, осуществляемого оптическим прибором.

При создали снстеш "неточки; азлучап:я - оптический прибор" нередко используют широко известный метод "проб и ошибок". В этих случаях к оптимальному варианту приходят путем последовательных приближений - сочетанием разных комбинаций известных се-—рийных источников" света и оптических приборов. Метод "проб и оши-:: - . не ^обесдетавает _а рх> о г>....полученкя. олтшаяьннх.решений, -за______гяшвает л удорожаем р_абпты. _________________- ——-

В настоящей работе поиск путей и методов оптимизации излу-чащих систем реализуется в соответствии с идеями обратных задач физической оптике. Решение подобных задач позволяет, как известно, определить свойства источника по конечным данным о характере распространения излучения.,

В каждой из стоявших перед наш проблем, будь го создание осветительных установок для сверхскоростной фотографии, осуществление ночного воздушного фотографирования с помощью оптических самолетных систем, или оптическая накачка лазеров, методы решения обратных л, в сочетании с ними, прямых задач отличались своими особенностями. Иногда это требовало разработки новых методов расчета (раздел 5.4), или преобразования известных (р.5.3), проведения комплексных, в том числе специальных лётных исследований,.. привлечения т.н. "предшествующих знаний", как, например, данных о предельной энергии вспышки импульсных ламп (р.4.4, 5.3). Во всех случаях задача состояла в определении оптимальных параметров,

однозначных для заданных условий использования и,пхульсных_источников излучения и излучающих систем.

Непременном условием подобной оптимизации явилось использование теоретических х; экспериментальных зависимостей, связывающих оптические и энергетические характеристики импульсного разряда высокого давления и вместе с тем, создание подобных излучакщнх систем было бы невозможным при отсутствии специальных средств из-мерешя.

Импульсная фотометрическая аппаратура различного назначения создавалась автором и его сотрудниками в результате систематических исследований п разработок в области импульсной фотометрии начиная с 50-х годов. Ранее отмечалось, что появление в литературе терминов "импульсный фотометр", "импульсная фотометрия" связано с именем автора диссертация, который ввел их в научную практику. Работа автора и коллектива его сотрудников явились су-

щественным вкладом в становление новой области измерительной ' техники - импульсной фотометрии. ■ ' -

Во втором разделе главы формулируется принцип' обратных оптических задач, или принцип "обратных проблем источника в •^оптнке'^-и-раскрываются пути.применения этого принципанаправлен-те на одтшизацию.разяых импульсных излучающих систем. _ _ 1 '_ .

!как..извёстно7 'П1ршя',_иж^,нЬршль1йя,,"задача~В" физической оптике состоит в предсказашш " эмиссии или картины'распространения ' ~ излучения на основе известного устройства источников или рассей-вателей. "Обратная" или "непрямая" задача, в противоположность этому, состоит в получении выводов о характеристиках источников или рассеивающих сред из данных о регистрируемом излучении. Ее решение заключается в нахождении функций (свойств, характеристик) источника по известным функциям (данным), которые согласуются с физической информацией, следующей из общих принципов, результатами прямых измерений, или других экспериментов, т.н. "предшествующих знаний".

Поблема создания импульсных излучающих систем не поддается общее математическое решению, позволяющему связать взаимозависимые величины формальными математическими соотношениями. Здесь,

как это' указывается в литературе', "посвященной' "обратным пробле- .........■

мам источника", используется более'или менее непрерывный переход от "обратной"- к "прямой процедуре.

Это, при соблюдении необходимых условий, позволяет, используя схему "обратных задач", получить оптимальные решения для излучающих систем. В нашем случае схема включает следующую последовательность действий.

1. Принимаются исходные данные для расчета - геометрические параметры объекта и удельная, или общая энергетическая характеристика, определяемая задачей освещения (облучения).

2. Определяются общие габариты тела свечения по заданной геометрии объекта и с учетом параметров оптического прибора.

3. Проводятся энергетические расчеты связанные с количественным критерием оптимизации, предназначенным для выявления "наилучшего варианта", которому всегда соответствует минимальное или максимальное значение характеристического показателя функционирования системы. Таковы, например, минимальное значение показателя общей дешифрируемоети изображения на ночном азронегативе

и связанная с ним максимальная величина экспозиции на земле -Е т'щ • Эта ке величина Еттлри высокоскоростном фотографиро-

вашш следует из максимальной заданной частоты съемки (кадр/сек) • .в использу&мойг скоростной камере. При разработке эффективной , системы накачки критерием является максимальная величина потока излучения, концентрируемая оптической системой на активный элемент, как условие получения наибольшего выхода когерентного из-,. лучения лазера. ' " .V

4,Заключ:: г елкхым этапом в схеме реггеагя обратной, задачи яз-—ляется, -как упоминалось выше, синтез источника света. - . - : - -При решении задачи создания излучающих систем почти во всех случаях использовалась также "прямая" 'процедура -"предшествующие значения" , такие, например, как параметры отражателей - в системах для фотографирования, наибольшая допустимая плотность энергии . рассеиваемой в разряде - в системе накачки и т.п.-

Отметим, что использование метода "обратных задач" в нашем случае оказалось полностью оправданным - построенные системы были . достаточно эффективными и позволили успешно решить поставленные перед наш непростые проблемы.

Третий раздел посвящен проблеме низковысогного ночного фотографирования с применением электрических источников света, в первую очередь, импульсных.

•■...........Роль-импульсных источников света, как средства, .обеспечиваю-?

щего проведение ночной авиаразведки, было оценено в США в годы второй мировой войны. В Советском Союзе первые работы по созданию аналогичных импульсных осветительных установок не увенчались успехом. В средине 50-х годов директивными органами было дано соответствующее поручение ВНйСИ. Анализ состояния вопроса привел к выводу о необходимости разработки научных основ ночного воздушного фотографирования. По понятным причинам доступные нам материалы подобного рода отсутствовали (включая опыт первых отечественных работ). Было признано целесообразным, в качестве методологической основы принять принцип обратных оптических задач. Поэтому исходной величиной, подаекавшей исследованию и определению, явилась минимальная экспозиция на земле, достаточная для осуществления дешифрирования получаемых аэронегативов, на уровне приемлемом для поставленной цели. Автором был предложен соответствующий критерий качества фотографического изображения - показатель общей дешифрируемое и: - ЩЦ. В результате проведенных теоретических исследований представилась возможным трансформировать идею Кардаса-Дерстуганова об "объеме фотографической информации". Учет фотометрических особенностей ночного сюжета и уставов-

ленных Истошным опгшальных условий освещения дневного высотного фотографирования привел, в конечном итоге к установлению величины минимальной экспозиции H ni п , необходимой да дешифрирования. Совместно с заказчиком были проведены по специальной методике летные исследования, в которых независимо визуальным .-дешифрированием и фотомегрированием светового пучка были установ-

~ лены "допустимые шшмальйые~значения~' ' Hmih :з кадровом поде • .-------'

Испытания подтвердили правильность теоретических положений, -----

определяющих научные основы НВФ. Величина H min и геометрические параметры фотографируемого маршрута составили необходимую базу для расчета импульсного источника света, о котором упоминается в разделе 4.3. Практическим результатом теоретических и экспериментальных исследований в области Ш5 явилась постановка промышленного'выпуска самолетных осветительных установок в количестве нескольких сот экземпляров.

. Четвертый раздел главы 5 содержит подробное изложение нового аналитического метода расчета' цилиндрических систем накачки лазеров, в котором дается зависимость составлякщих коэффициента передачи потока цилиндрического излучателя на активный элемент во взаимно перпендикулярных продольной и поперечной плоскостях, ''проходящих через' 'источники,приемник н-отражающую поверхность- • .. цилиндра.

В наших расчетах коэффициента Передачи потока f] мы опирались на идею множества лучей и теорию объемного свечения цилиндра, развитые Герщуном.

Учитывался поток излучения, попадающий непосредственно с лампы на приемник - ф / г* , отраженный к сфокусированный

на приемник поток рая~= (p'^/Çi я погон, поладакщнй на приемник после отражения и прохождения через лампу /7 с'л= $ ? Ф

В основу метода расчета были взяты следущие положения:

1. Выражеше для потока лампы Фл соответствует свойствам полупрозрачного цилиндрического излучателя.

2. При расчете углов охвата и экранировки используется понятие геометрического фактора пучка (меры множества). Ддя элементарного телесного угла эта величина, ci7 N равна, согласно -Гериуну, £/*// = с( $.oos в с/сог Где - угол между нормалью к

с! $ц направлением, определяемым элементарны?.! телесным углом dw. Поскольку с/<Р- Lc/Wt г0 каждая из составляющих коэффициента передачи /?t определялась, как JjZci1^/'fjcl!<Rn

(s/)

В работе_Гершуна рассчитывается средняя яркость элемента' поверхности ££ бесконечного излучающего цилиндра по направлениям & и показано, что величина X является функцией оптической глубины светящегося слоя, взятого по диаметру цилиндра и не зависит .от места располоаения-этого элемента. - ______________;

Это позволяет вывести_из.под^знака_интеграла в выражениях ".для '^¿"'среднюю яркоеть~и обосновать разделениеТко^игщёнта" передачи на две мультипликативные сосгавляйд1е"в Тфодольной'и "" поперечной плоскостях, без введения^физически необоснованных упрощений о различном характере пространственного распределения излучения в этих двух плоскостях, предлагаемых в некоторых работах по расчету систем оптической накачки лазеров. , .

Совокупное выражение для коэффициента передачи, учитывающее все его составляющие предстанет, в результате такого разделения в следущем виде:

, , л-л л-п cm off /■>-/> а-л 1 s

& S & 9* + > где cC

и у характеризуют продольную и поперечную плоскости, у - коэффициент отражения оптического прибора, £ - коэффициент пропускания плазменного столба.

В диссертации приведены формулы для расчета коэффициента передачи потока в эллипс'овдлиндрических зеркальных системах. Исследования одноэллшеной системы накачки с помощью разработанного прибора U3H-I подтвердили хорошее совпадение результатов расчетов и эксперимента. Расчетное значение (для системы длиною 120 мм)" составило = 0,66, тогда как эксперимент показал - = 0,69.

Созданный аналитический дметод расчета дает возможность решить задачу "геометрической" оптимизации зеркальной оптической системы накачки. Гак, например, в эллипсоцшшндрической системе достаточно задать размеры активного стержня, чтобы однозначно определить значение эксцентриситета эллипса е , обеспечивающее наибольший коэффициент перадачи потока; этот результат можно получить, варьируя отношение радиусов ламп и кристалла (.активного элемента)-•

Графики, представленные в работе, и рассчитанные для одно-и двухэллипеной системы, нагладно демонстрируют влияние обеих величин - К j и е на уровень геометрической эффективности системы для дискретного ряда значений £ = 0,1; 0,2; 0,3; 0,4; 0,5 и изменения ^/ в пределах = 0-3. Для

проведения такого расчета дополнительно необходимы только

величины 9 и ^ . Из семейства графиков следует геометрически очевидное монотонное снижение с ростом : наибольшая

доля потока могла бы передаваться активному стеркню нитевидным источником накачки, близки. к капиллярной лампе. Естественно, что при этом его энергетические возможности ограничены. Кз тех-же-графиков следует-, что оптимальное значение экс-

центриситета состааляет для одноэллипсной системы в- - 0,3,

Следует отметить ряд общих выводов, следующих из анализа разработанного метода расчета и полученных при этом формул для '/<* и ^ .

1. Длину лампы и отражателя целесообразно выбирать равной длине активного стержня. Увеличение отношения -л / ¿V соответственно сникает яркость дампы, его уменьшение, при сохранении

, снижает"поток, что не компенсируется некоторым увеличением у .

2. Пекфокусное расстояние £ С следует сводить к минимуму, определяемому конструктивными соображениями. Уменьшение большой оси эллипса вслед за 2 с приводит к убыванию влияния торцевых стенок, а роль прямого потока лашы возрастает.

.3. Предложений.метод расчета; оказался пргл:ешдаым для оптических систем и источников накачки разных типов - кругоци-линдрической к плотной упаковки, для зеркальных цилиндрических отражателей со спиральными и полос тнши лаеташ. Имеются факторы, ограничивающие сравнительную эффективность кругоцплнндричес-кой системы: источник и приемник должны достаточно близко располагаться к оси цилиндра и это расстояние не, должно превышать примерно 1/3 его радиуса. В работах ШИШ также показана возможность обобщения развитого метода на случай оболочек (рубашек) для охлаждения источника и приемника, применяемых в ряде оптических систем накачки.

Разработанный метод расчета прошел во БШГСИ всестороннюю экспериментальную проверку. Б разделе 5.4 упоминалось' об экспериментах, выполненных с помощью измерителя энергии накачки -ИЗН-1.'Они проводились в системе с отражателем с коэффициентом отражения у = 0,82; соответствующее значение &/>■»>•,= 0,66. Следует отметить, что увеличеш:е ?И(1Д0 значения у = 0,9 для петалличесшх отражателем является вполне до стенимым. Это привело бы к значению /? = 0,75, что является оптимальным для оптических систем накачки.

Поскольку конечным фактория, определяющим- эффективность

системы накачки (при заданном активном элементе) является выход когерентного излучения, была проведена серия измерений с лампами разного диаметра, устанавливаемых в рассчитанном "геометрически" оптическом резонаторе. В диссертации приводятся графики из которых следует, что полученные геометрическим расчетом значения диаметров ламп соответствуют не только максимуму световой.энер-гии, концентрируемой-на активном элементе, но и наибольшему "выходу лазерного излучения при заданных "значениях энергии вспышки. Измерения проводились прибором типа ИЖИ. Проведенное сравнение разработанного нами образца рубинового лазера с системами "плотной упаковки", показалочто в первом случае энергия лазерного луча на 25-ЗС$ больше. Полостная лампа с серебряным покрытием давала в 2,5-3 раза меньше выходного излучения.

Высокая эффективность созданных во ВНИСИ методом расчетов и оптимизации цилиндрических систем накачки была подтверждена рядом организаций. В ЕЖ кристаллографии АН СССР и НИИ прикладно физики использовались изготовленные наш образцы лазеров с различными активными элементами: по заданию ЛСМО были проведены расчеты квантовых генераторов ГОС-1000 и 01М-100.

В пятом разделе главы кратко описаны некоторые установки для импульсного освещения однократной' вспышкой быстропротекаю-щих процессов, когда фоторегистрация осуществляется с помощью фоторегистрагоров с зеркальной' разверткой и неподвижной пленкой типа СФР (БФУ).

Здесь'упоминается генератор прямоугольных световых имцуль-сов И?Э-1, предназначенный для использования в импульсной фото-.метрии, но применявшийся также для фоторегистрации однократнш процессов с помощью камеры СФР при частоте более I млн кадров/се при достаточно большом коэффициенте отражения мишени. При необхс димости регистрации, процессов, происходящих при соударении со слабо о трака щей мишензю, . задача значительно усложняется—.при, прямом освещении импульсной лампой мишени, представлявшей собой даффузно-отражагацую пластину с коэффициентом отражения § = 0,1 энергия вспышки долкна составить Ж = 80000 Дк, т.к. лоток излучения мог использоваться не более чем на 0,05-0,1%. При этом требуемая скорость фогорегистрации составляла 2,5 млн.кадров/с - предельная для камеры СФР-Н<1.

Решение задачи было найдено путем применения оптического прибора, перераспределяющего и концентрирующего излучение источ

кика на объекте. Для этого был использован эллипсоидный отражатель с высокими оптическими характеристиками, в фокусе которого должен был устанавливаться импульсный источник света специальной формы (плоская спираль).

Синтез этой трубчатой лампы, которая включаласьвЮ -контур . так, ..что сопротивление разрядного канала являлось согласованной " омической" нагрузкой 'ЪС-^ линиии," привел неоднозначному решению ' для геометрических размеров лампы и параметров контура. В качестве "предшествующих значений" фигурировали начальный градиент напряжения Е0 (60 В/см) и оптические данные отражателя, Помимо этих априорно заданных величин, в основу расчета было также положено значение энергии вспышки Л\/" , определенное исходя из свойств фоторешстрирупцей аппаратуры и заданной длительности экспозиции (300 мкс). Это значение энергии равнялось 700 Дж.

Таким образом, созданная в результате выполнения этой работы оптическая установка У0-1М дала возможность, более, чем на два порядка снизить энергию импульсного источника света, необходимую для регистрации быстропротекающих процессов соударения в отраженном свете.

Установка УО-Ш была использована в течение ряда лет -заказчиком также для фоторегистрации процессов в проходящем свете с помощью фото/регистрагора ШЮ-2.

Шестой и седьмой разделы главы посвящены вопросам измерения кратковременных световых импульсов с помощью физических приемников излучения и импульсных радиотехнических устройств, регистрирующих электрические импульсы на выходе приемников. Они составляют предмет сравнительно новой области измерительной техники - импульсной фотометрии, становление которой относится к началу 50-х годов и обязано, в частност^работам автора и коллектива его сотрудников. Первый "импульсный фотометр" ИФ-1 был создан в 1953 г. и с этого времени термин "импульсная фотометрия" приобрел в Советском Союзе право гражданства.

Свидетельством значения, придаваемого в последующие годы развитию импульсной фотометрии, может служить утверждение, содержащееся в документах Национального Бюро Стандартов США; в них отмечается "быстро нарастающая коммерческая и технологическая важность фотометрии импульсных источников света".

Для получения достоверных сведений о характеристиках измеряемого импульса излучения необходимо непременное соблюдение 2-х условий:

- форма светового импульса должна в наименьшей степени искажаться при прохождении через тракт фотометрического устройства.-^-

- в устройстве должна быть предусмотрена-возможность опреде- . ления абсолютных значений интенсивности излучениями системе "единиц," принятых в фотометрии. •

Решение первой задачи требовало изучения реакции приемника на импульсное освещение, а также включаемых в измерительный тракт радиотехнических устройств на электрический импульс на выходе приемника.

Для проведения абсолютных измерений световых импульсов можно было опереться на основную фотометрическую величину, Канделу -стационарный источник света, который вплоть до конца 70-х годов, оценивался исключительно по зрительному ощущению. Однако, по мнению некоторых крупных специалистов в области фотометрии,подобная постановка задачи была неправомерной.

Специальный эксперимент, поставленный автором с помощью стробоскопа СТ-3, генерировшего периодические импульсы излучения С г='2-3 мкс, /' = 100 Гц) и'прибора Ш-1, градуированного' по светоизмерительной лампе, показал, что визуально измеренное наблюдателем значение силы света последовательности таких импульсов совпадает, в пределах погрешности измерений, со средним значением силы света, рассчитанным по осциллограмме импульса, зарегистрированного импульсным фотометром (с учетом частоты^ ).

Эксперимент имел принципиальное значение, т.к. доказал возможность использования световых величин дая измерения мгновенных значений интенсивности и градуировки импульсных фотометров с помощью световых эталонов.

Вплоть до появления лазеров импульсная фотометрия развивалась преимущественно, как визуальная фотометрия. Для этого в оптическую схему входного устройства фотометра включался набор цветных стекол, которые должны были, с учетом спектральной характеристики фогопри-емника £(Л), воспроизводить кривую относительной спектральной световой эффективности У(Л) •

В диссертации приведена формула для расчета погрешности измерения светового потока, которая может возникнуть при такой корректировке^^. При оценке ее величины, проведенной для ФЭУ с £ Ь- С> катодом, было установлено, что ошибка в измерении потока планков-

ских излучателей в интервале температур 8000-30000 К составляет (+3 + - 10 %).

В течение последних десятилетий непрерывно" расширялось применение в науке и технике, в медицине источников импульсного некогерентного и когерентного излучения и, соответственно, росла необходимость-^ развитии методов -измёрешй иглзульсного излучения. .Им-:.:•_ пульсная фотометрия-стала разветвленной многофункциональной областью измерительной техники. В диссертации представлена таблица, в которой предлагается разделение на 4 функциональные области измерений: импульсную спектрографию, импульсную спектрометрию, импульсную фотометрию световых величин, импульсную радиометрию. Таблица дает представление об измеряемых фотометрических величинах и структуре измерительного тракта и его элементов в каждой из областей, методах выделения информации. Автором с коллективом его сотрудников проводились теоретические исследования и разработки аппаратуры практически во всех указанных в таблице областях импульсной фотометрии.

Основным структурным элементом измерительного тракта является приемник излучения. В нем осуществляется преобразование импульса излучения, в. электрический.сигнал 1 .его свойства в решающей.степени определяют чувствительность фотометрического устройства и временной диапазон измерений. Регистрация и, в случае необходимости, усиление электрических импульсов осуществляется известными методами импульсной радиотехники.

В нашей работе для создания фотометрической аппаратуры использовались преимущественно фотоэлектрические приборы - фотоэлементы и ФЭУ с'различной чувствительностью, спектральными характеристиками и инерционностью. Задачи метрологии решались с помощью радиационных термоэлементов, включая образцовые приборы с широким интервалом неселективности по спектру.

При этом, основное внимание было сконцентрировано на исследовании временных характеристик фотоэлектронных умножителей, но направление исследований отличалась от принятого ранее, которое было связано с применением ФЭУ для счета сциншляций в ядерной физике, где существенным было определение разброса времени пролета фотоэлектронов. Наша задача состояла в исследовании амплитудно-временных искажений импульса при его прохождения через фотоумножитель и возникающих при этом погрешностей измерений. Зги вопросы излагаются в Приложении 2 к диссертации.

Для проведения исследований фотопряемников был разработан ряд

генераторов световых импульсов с длительностью свечения от нескольких сот микросекунд (ИФЭ-I) до нескольких наносекунд, в том числе генератор 1СНИ-1 на газоразрядной лампе и ИГС-1 - на фосфид-галлиевом свегодиоде. В последнем случае бал использован эффект обострения фронта импульса напряжения с помощью ударных электромагнитных волн, возбуждаемых.формирунцей ферритовой линией._Дли-__ "тельноеть~фронта"импульса излучения составила 5 не. -

~ Значительно большей крутизны"Фронта импульса излучения светодиода: Гр = 0,4-0,5 не удалось достигнуть при его обратном , включении и возбуждению импульсами от генератора Г5-11. Полученный световой импульс регистрировался на установке ФИАН на экране электронно-оптического преобразователя ПИМ-УМИ-92.

С помощью исследованного в этой работе светодиода, по осциллограмме его импульса излучения, была получена переходная характеристика фотоумножителей ФЭУ-30 и ФЭУ-76 и рассчитаны импульсные характеристики этих приемников. Время нарастания in переходной характеристики малоинерционных ФЭУ-30 иФЭУ-4£6 составляют 3,9 и 3,5 не параметры импульсной характеристики ФЭУ-30: tH= 4,0 не;

2,4 не; %с= 2,4 не. Импульсные и переходные характеристики более инерционных умножителей, ФЭУ-51 и ФЭУ-52, использованные в нашей аппаратуре, .были определены, прямым, эксперимент ом с. помощью-., генератора ГСНИ ( ^,-10 не).

Несмотря на го, что входной оптике импульсных фотометров определена, как правило, роль формирования и ослабления измеряемого пучка излучения, расчеты относящиеся к некоторым элементам оптической схемы, в частности, к фотометрическому шару, установленному на входе прибора, показали, что их воздействием на форму короткого наносекундного импульса нельзя пренебречь. (Приложение 2).

Поскольку в большинстве импульсных фотометров используются шары сравнительно малых размеров (постоянная времени в СИФ-Ш а 2 не), этот фактор следует учитывать при расчете суммарной погрешности измерительного тракта только для импульсов излучения с длительностью в несколько не и короче.

Было исследовано влияние других элементов тракта - кабеля, трубка бегущей волны и установлено их незначительное влияние на форму имцульса: величина tfi трубки типа 13Д0102М была а 0,2 -- 0,3 не, а время нарастания переходной характеристики кабеля типа PK-50-II-I3 оказалось возможным выразить соотношением = 0,003 £¡1 , где ¿к - длина кабеля в м, th - в не.

При проведении исследований и разработок в области импульсной фотометрии, автор и его сотрудники не ограничивались экспериментальным определением характеристик элементов измерительного тракта. Были проведены специальные теоретические исследования амплитудно-временных искажений светового импульса.

. - -Для решения-этой задачи.однополярный импульсный.сигнал пред- . ставляется в виде кусочно-линейной функции", аппроксшлйрованной" в форме трапеции, элементы которой связаны с'основными характеристиками имцульса - его длительностью, длительностью фронта и среза Благодаря этому, по формулам теории вероятности для моментов распределения, центральный момент второго порядка - дисперсия I) выражается через временные параметры импульса Ти , , £с . Выражение дая дисперсии включает в себя квадратичную функцию этих

>~г • р 2 у 7~1

параметров ^ , которая равняется ¿7-= —

и в дальнейшем изложении используется под названием обобщенного временного параметра. Она связана с дисперсией соотношением & = 0,2-7. Величина может быть отнесена к входному импульсу , выходному импульсу Э и обобщенному параметру переходного процесса, причем время нарастания ~Ьн —

-Имея ввиду, формулу суммирования дисперсий -1)1 = Ъ п , можно получить представление о влиянии параметров временных характеристик измерительного тракта на совокупное изменение временных параметров импульса излучения.

Использование для теоретического анализа процесса прохождения имцульса через измерительный тракт фотометра метода моментов дало возможность решить две задачи, нредставлякщие интерес для исследования импульсного излучения - прямую и обратную.

Прямая задача состоит в определении абсолютной погрешности измерений кавдого из параметров импульса - А Л - амплитуды,

ЛТ- длительности импульса, - фронта и среза, если

известны данные измерительной схемы - время нарастания и коэффициент ассиметрш переходной характеристики - ^ и С, а также параметры входного импульса А, "Г, , Тр и

Как показывают расчеты, при соблюдении условия ^^ Г, ошибка в определении А м^ АТ„} А'Г^А'Гне превышает 10-18$. При уменьшении отношения / ^ погрешность определения параглетров импульса заметно снижается. Так при значениях / 7^,^0,1 и отсутствии выбросов^не" превышает 1-2$. С ростом величины '-¿„ / Т^ до значения 0,5 измеренное значение амплитуды импульсов меньше

входной величины на 10-12$, а длительность импульса затягивается на I2-U%.

Значительно сильнее влияет t* на ТР ж tc . Ъ отсутствии выбросов и большой относительной крутизне переходной характеристики ( од) длительность-фронта-возрастает-на 1-4$ для-

.светодиодов и_на_ 18$ - для импульсшх ламп. ..........

. ..... Увеличение значения ~iH / до 0,5 приводит_к затяйивашю длительности фронта и среза излучения импульсных ламп и светсдао-дов на 100-200^, колокольный импульс воспроизводится с меньшими искажениями - Л T^/f^-O.I; /7?с ~ 0,2.

В целом^предаоженный метод расчета позволяет рассчитать систематическую погрешность измерений, вызванную искажением временных характеристик импульса и дает возможность ориентироваться в выборе адекватной измерительной аппаратуры. Этот метод оказался полезным и для решения обратной задачи - представления временного хода измеряемого импульса непосредственно по его осциллограмме на выходе прибора. В диссертации приведены соответствующие соотно шения, позволяющие таким образом определить величины Яс , 'Г^ и

, если известно время нарастания переходной характеристики измерительного тракта импульсного фотометра.

Сопоставление теории и эксперимента показало, что при условиях "С015-0,3, àAcJJi^ю^, тогда как Л Трс,/ms&i достигать 50$ и выше при значениях > ОД. Эти данные име

юг приближенный характер, но конечные формулы достаточно просты и удобны для применения, в отличие от известного метода определения входного сигнала по реакции линейной системы с помощью интегрального уравнения Вольгерра.

Искажение -, формы светового импульса - одна из причин погрешностей его измерения. Неточность определения спектральных характеристик приемника, ограничение спектрального разрешения при монохромагизации излучения - второй источник систематических ошибок. Вопросы спектральных измерений обстоятельно рассматриваются в специальной литературе.

Третьим источником погрешностей измерений является точность фотометрических эталонов к образцовых средств измерений, наличи которых обеспечивают единство измерений, получение достоверных результатов.

Государственная система метрологического обеспечения измере ний импульсного излучения была в нашей стране введена в действие

для лазерного излучения с конца 70-х годов (ГОСТ 8.198-76 и 8.276-78), для световых импульсов некогерентного излучения - в начале 90-х годов (ГОСТ 8.023-90).

Поскольку к началу 50-х годов, когда во ВНИСИ, ГОИ и других -организациях начала развиваться-.импульсная фотометрия, государственная система мётрологического обеспечения "йзмерений~импуль-~" сного излучения отсутствовала, в качестве метрологической базы импульсной фотометрии были приняты образцовые меры фотометрии непрерывного излучения - светоизмерительные лампы, сохранявшие этот статус вплоть до середины 70-х годов. Позднее, когда во гдаве поверочной схемы был поставлен излучатель на основе высокотемпературной модели черного тела, относительная погрешность воспроизведенная силв1 света и освещенности для этих мер (ОСИ-1) была установлена в пределах Д0= 3,0'10~^ - 6,0-10 . Эта величина непосредственно учитывается при абсолютной градуировке приемников и фотометрических устройств в световых единицах.

Следующий источник погрешностей возникает при передаче единицы непрерывного излучения импульсным фотометром. Помимо широко известного метода механической модуляции потока для формирования импульса", нами' был предложен' и применен' в ряде разработанных приборов (типа Ш и УШ) новый метод градуировки посредством электронной модуляции фотоэлектронного умношгеля. Существо метода описано в авторском'свидетельстве и соответствующей публикации, а также в диссертации. Отметим, что метод импульсного управления ФЭУ применялся в последующие годы рядом исследователей. -

Появление лазеров дало возможность провести сравнение абсолютной спектральной чувствительности импульсной фотометрической аппаратуры двумя независимыми методами. Для этого абсолютное значение амплитуды гигантского импульса ( ^^20 не) рубинового лазера было измерено фотометром СКФ-11.1, градуированным с помощью светоизмерительной лампы в энергетических единицах. Эта же величина была определена независимо - по энергии импульса, путем планиметрирования его осциллограммы. Результаты двух экспериментов разошлись не более, чем на 20$. Учитывая, что результирующая погрешность включает суммарные ошибки всех ступеней измерений, подобное согласие можно признать вполне удовлетворительны:.!.

Анализ всех составлящих погрешностей позволил сделать вывод о достаточной достоверности разработанного метода расчета амплитудно-временных искакений в измерительном тракте и о допус-

тимости проведения градуировки осциллографических фотометров, предназначенных для измеренная ш.шульсных лазеров, с помощью измерителей энергии импульса интегрирующего типа.

Проведение в лаборатории импульсной фотометрии ВЕШИ в течение ряда лет комплексных экспериментальных и теоретических исследований.в .областИТампульсйон фотометрии..создали основу.для .. - —разработки широкой гаммы ш.шульсных фотометров разного назначе- - -ния. Всего, в основном за период 60-х годов, было разработано и внедрено в опытном производстве ВНИСИ до 15 .типов приборов, сведения о которых публиковались в периодических и справочных отечественных изданиях: первый из созданных фотометров - УИФ-1 был ■ включен в перечень приборов одного из международных изданий.

В основном - это фотометры фотоэлектрические, осциллографи-ческого типа, для измерения импульсов излучения длительностью от долей секунда до наносекунд. Некоторые фотометры предназначались для специальных целей - приборы со световодами ИФС-1 и ИЭН-1 использовались при разработке систем автоматического светового управления (НФС-1) и измерения энергии накачки активных стержней в импульсных лазерах (ИЗН-1)

...С..началом развития лазерной тематики было создано несколько приборов типа Е5КИ с термоэлектрическим приемником излучения для измерения энергии ш.шульсных лазеров в широком спектральном и энергетическом диапазоне (0,4-2,5 мкм; Ю-2 - 500 Ди). В течение 2 лет было подготовлено и передано ряду НИИ, включая ЩАН и другие академические институты до 50 таких приборов. Это имело оообо значение для проведения исследований когерентного излучения в тот период, когда в Советском Союзе не было еще налажено промышленное производство подобной аппаратуры. Всего в течение примерно 15 лет заказчикам было передано в эксплуатацию более 100 импульсных фотометров, изготовленных во ВНИСИ по разработкам автора и его коллектива.

Вслед за началом промышленного выпуска импульсной аппаратуры для световых измерений - фотометров ИСМ-57, СШ, ФИЛ-1Л, по указанию Государственного комитета стандартов, во ВНИСИ начали проводиться государственные испытания этих приборов. Возникшие в процессе их аттестации методические вопросы были успешно решены на основе результатов научных исследований и технических разработок по импульсной фотометрии, которые описаны в диссертации. Была достигнута вполне удовлетворительная точность измерения мгновенных световых характеристик импульсов излучения ( + в ингер-

вале длительностей Ю-6 - Ю-2 сек.

В последундие годы, б период работы автора во ВЕШОФИ, им 1

были выполнены исследования ряда радиационных термоэлементов с помощью созданной спектральной установки для измерения коэффициента преобразования приемников излучения в"спектральном йнтер-~" -вале-200-1400 нм.-В-этой установке в -качестве образцового сред- "' ' • ства был использован неселективный полостной преобразователь из- - --— лучения типа ПП-1. Здесь удалось достигнуть хорошей точности измерений относительной спектральной характеристики: ОКО - в пределах 0,5-Ю-2 при суммарной погрешности в диапазоне длин волн > 250 нм - 3-Ю-2 - 6-Ю-2. Абсолютная величина коэффициента преобразования (В/Вт) исследуемого приемника излучения рассчитывалась по данным аттестации ПП-1.

В связи со сравнительно большим периодом времени, прошедшем после создания во ВНИСИ импульсной фотометрической аппаратуры, существенно оценить, в какой мере их технический уровень соответствует узаконенным в настоящее время требованиям Государственной службы в этой области измерений. Соответствующие материалы содержатся в диссертации.

. . .Рассмотрим,.для примера, диапазон измеряемых величин и,по- , . грешность двух приборов, разработанных во ВНИСИ в 60-х и начале 70-х годов. Параметры импульсного экспозиметра ЗИ-2 (1966), калиброванного по количеству освещения Н, таковы; диапазон" Т4( -длительностей измеряемых импульсов: 5-10~^ - 5-10~^ е.; II = 5-10"2 - 5-10 лк-с; Лц= 7-Ю"2.б Соответствующие данные, включенные в импульсную-ветвь ГОСТ 8.023-90 в разряде рабочих средств измерений (РСИ) Н = 10 - Ю4 лк-с; До= 7-10~2-20-Ю~2. Фотометр ШФ-2. (1973): 5-Ю"6 - 5-Ю с ; Е (мгновенная освещенность); 10"-Ю8 лк., Де = +10$. Соответственно, в ГОСТ . 8.023-90: Е = (1-10-1 -Ю4) лк.

Приборы типа ИЗХИ, предназначенные для измерения энергии излучения импульсных лазеров по своим оптическим характеристикам ( А0= 6-Ю"2, Хуг Ю-3 - Ю2 Д^; = 0,4-2,5 мил, апертура - ^ 65 мм), как следует из справочных изданий, а также тлеющихся отзывов, не уступают по своим характеристикам другим приборам аналогичного назначения.

В ЗАКЛЮЧЕНИИ сформулированы основные выводы диссертационной работы.

- ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ РАБОТЫ

I. Обнаружена и экспериментально подтверждена непрозрачность разрядного канала„мощной воздушной искры для оптического излучения при температуре плазш 20000-25000 К.

_ _2._Показаночто полученное в рамках классической теорш уточ--ненное выражение для кулоновского сечения "электрон-ион" 0,ес в слабонеидеальной плазме импульсного разряда удовлетворительно согласуется с теорией столкновений Кихара-Аоно, где точно учитывается эффект экранирования в условиях умеренно-плотной плазш.

3. Построено новое аналитическое выражение для суммарной электропроводности частично-ионизованного газа, которое приводит

к удовлетворительному совладению расчетов и результатов экспериментов.

4. Представлена полуэмпирическая зависимость мгновенной температуры плазмы от плотности тока в импульсных трубчатых лампах

с инертными газами. В результате проведенного анализа установлено, что расчетные и измеренные рядом авторов значения температуры плазмы различаются не. более ..чем на. .5-1

5. .Обнаружено, на основе новых полученных в работе экспериментальных данных о спектральном показателе поглощения в импульсных трубчатых лампах с А ь , А /• и Хе, что в плазме средней плотности (/7е<1019 Ом-^) превалируют процессы тормозного поглощения.

6. Установлено, что относительный спектр оптического излучения плазмы импульсного разряда, ограниченного стенкой, в его квазистационарной стадии, остается практически неизменным у разных инертннз 'газов в широком интервале начальных давлений и температур плазмы

и подобен спектру планковского излучателя. Поэтому, в указанных условиях, трубчатая импульсная лампа с инертным газом, может трактоваться, как "серый" излучатель.

7. Предложена оптическая модель импульсной трубчатой лампы, как объемного полупрозрачного цилиндрического излучателя; показана и подтверждена экспериментально возможность расчета спектральной плотности оптического излучения лашы на основе данной модели и известных значений плотности тока и спектрального показателя поглощения.

8. Предложена схема синтеза-импульсной трубчатой лампы, поз-

' 4S.

Болящая осуществить замкнутый расчет геометрии лампы и параметров разрядного контура и получить оптимальные характеристики источника излучения при решении обратной оптической задачи в системе "импульсная лампа - оптический прибор".

9. Разработаны теоретические основы и подтверждена экспериментально возможность^"опнйМзации "некоторых процессов специального" фо~-"тографирования - ночной и высокоскоростной фотографии и созданы соответствующие оптические системы и устройства.

10. Созданы методы аналитического расчета ir энергетической оптимизации цилиндрических оптических систем накачки лазеров на твердом теле при ограничении энергии импульсного источника накачки, которые подтверждены измерениями выходного излучения лазеров.

11. Заложены первичные теоретические и экспериментальные основы новой области оптических измерений - импульсной фотометрии, включая оценку искажения ш.шульсов излучения в измерительном тракте фотометра. Создан комплекс измерительных прпборов для исследования импульсных ламп и импульсных лазеров, технический уровень которых удовлетворяет современным требованиям Государственной службы в этой области измерений.

Основные результаты диссертации опубликованы в следующих статьях:

1. Гуревич И.М. - Поглощение света в воздушной искре и температура разрядного канала - "Оптпко-механ. промышленность", IS54,

& 3, с.З.

2. Гуревич K.M. - Излучение мощной импульсной лампы в момент взрыва - Оптика и спектроскопия, 1958, гЛУ, вып.2, с.252.

3. Гуревич И.¡л. - Градуировка интенсивности световых импульсов методом электронной модуляции излучения и импульсный фотометр УИФ-1. - Успехи научной фотографии, 1959, т.1У, с.68.

4. Гуревич IUI., Чарнач Ф.А. - Излучение трубчатых импульсных ламп в видимой и инфракрасной областях спектра. - Аннотации докладов 3 Всесоюзного совещания по высокоскоростной фотографии и кине-матограф1ш - JI. Пзд-зо АЛ СССР, IS62.

5. Гуревич Н.ГЛ., Чарная S.A. -Спектральные характеристик:! импульсных трубчатых ламп. - Оптика и спектроскопия, 1963, т.Х1У; с. 564.

6. Быховская Л.Н., Гуревич И.LI., Едина Н.Г., Кононова C.B., Hefa,тан И.С., Чарная Ф.А. - Импульсные лашы ВШ.'СИ для оптических

квантовых генераторов. - К.'прикладной спектроскопии, 1965, т.Ш, вып. 3, с.285.

7.Быховская Л.Н., Гуревич И.М., Чарная Ф.А. - Импульсные источники света ВНИСИ - В Сб.: "Техника киносъемок, ее применение

■-----;-в- промншешк-сти-и научных'.исследованиях" ...Московский Дом nponarat

ды им.Дзержинского, 1966, с.41

8. Быховская Л.Н., Гуревич И.'М., Кононова C.B., Нейман И.О.,

лзг\щ

Чарная Ф.А. - Влияние параметров накачки и режима разряда на bhxoj когерентного излучения кристаллов рубина и C^wo^; - ж.

Прикладной спектроскопии, IS67, г.УП, вып. I. с.12

9. Гурезич И.М., Чарная S.A. - Измеритель энергии когерентно: излучения ИЗКИ-1. Измеритель энергии накачки ИЭН-1 - Приборы и те: эксперимента, IS67, Jè I, с. 214, 215.'

10. Гурезлч К.Ы., Финкельштейн Л.Е. - Скоростной импульсный фотометр СШ-1 - Приборы и техн. экспер., 1967, të 1,_с. 215

11. Быховская Л.Н., Гуревич И.Ы. - Импульсные лампы сс субмн кросекундной длительностью излучения - Светотехника, 1968, J3 8,е.:

12.'Быховская Л.Н./ Гурёвич ИЛЬ' - Вдйяйие "рода газа на'свет вые к спектрально-временные характеристики трубчатых импульсных ламп. - а. Прикладной спектроскопии, IS69. г.XI, fê 5, с.790

13. Гуревич И.М., Кононова C.B., Чарная Ф.А. - Результаты пр ведения Государственных испытаний импульсной фотометрической айна ратуры. - Б сб.: "Импульсная фотометрия, Л. Изд. "Машиностроение: 1969, с.97

14. (г и/- eviich .7- M. So're Сh a tr<i с i e h i -s i i ; s oj- T^t^mpl Pi ,-> s inp s ih Fia sht и lt> : Pho с e s <jf èhe 9-¿A Inét ti^ttonflt Conjfièst on HlSjh-S/> eèf/ Pf, 0 tojj hapAy) Dem-ch, ¿/iAf JS7C

p. 294-298.

15. Гуревич II.1.1., Коробкин В.В., Малютин А. Фокина Н.Н., Финкалыпгейн Л.Е. - Временные параметры свегодподов из фосфида Галлия и переходная характеристика ФЭУ-30 - Приборы и техн. экст мента, 1271, J5 2, с.216-218.

16. V- in nïkcv, Л -А- / 'oLken.s i tin, У/h С-л i'з r,int

¡.NC-Ut-evi ith,B-r-SA sefii s or (l/SSR) г The B*sic Asj>e^s

oi F La ç h Poï ome-i ry.- T n ! p ^ о ierrh'n gs о/ ¿¿e ХУ7/ Sesp.cn C/E ÔP^ceLcrye /07/^ P-7/-5 i p /-/7,

> j -> y '

17. Гуревич И.H., (Бирсов Г.В., Чарная ФЛ. - Широкодиапазонный измеритель энергии когерентного излучения ПЗКИ-2 - В Сб.: "Импульсная фотометрия", вып.2, л. Изд-во "Машиностроение", 1972, с.35

18..1Уревич И.М., Ильинский A.A., Летичевский Е.А., Новико-ва'ГЛ.!/, Пятницкая Г.А'.Г- Исслёдованйё'фосфид-галдаешх светодио-'" дов и разработка лабораторного генератора кЪроткм'св'ётовых шпуль- ' сов - В Сб.: "Импульсная фотометрия", вып. 2 Л.Из-во "Машиностроение", 1972, с.144.

19. Быховская Л.Н., Гуревич И.М., Дубовик A.C., Зацепин Ю.А.

- Некоторые вопросы, формирования прямоугольного светового импульса для скоростной фоторешстрации. - Тезисы докладов Всесоюзной научно-технической конференции: "Современное состояние и перспективы высокоскоростной фотографии и кинематографии и метрологии быстро-протекающих процессов" М. ВНИИОШ, 1972, с. 147-149. Быховская Л.Н., Гуревич И.М., Лазукова Л.Б., Соколенко Л.С., Фельдман B.C. - Генератор прямоугольных световых импульсов для сверхскоростной фотографии.-Тез.докл. Всесоюзной научно-гкхн. конф.: "Совр. состояние и перспективы высокоскоростной фотографии и кинематографии и метрологии быстропротекающих процессов", М. В1МИ0ФИ, Ï975, с.93.

20. Гуревич ИЛЛ. - 0 возможности расчета излучения импульсных ламп по электрическим характеристикам - Светотехника, 1973, 15 6

с. 14-15.

21. L N-ßy Khoïika},-), G-h.J)orf пяп, L-ß.Dlt nrije^s ¿"JJ,

V- S-/- t.L с/ n, /> n, 1 •/'/ (rurt rJ ic h , И-S. s о JCotenKa , The Concor ihflü'on of ¿he Г=1гчА±1,Ье for -tb* H ГJ A -

"fyerci PAotofrpj^y p/ Jtr*eA-ly nefUrl-iny

Ptoe*r4it,^ о J -[he. 11 I htrf> m * ''•<-> i- . ^ on ff fie J. S О" /-'!'.<)/>- . Çpeeci i 0$ phy J*,jo<>h,c, L CoLLecje. l//,i ,-erst ty

of L ancien, ff/tfvben, 1974, p 599-605.

22. Быховская Л.Н., Гуревич И.М., Лопухин В.В., Селиванова Л.Ф..

- Быстродействующие разрядник! высокой чувствительности, поджигаемые излучения ОКГ. - Тезисы докладов Всесоюзной научно-техн.конф. "Совр. состояние и перспективы высокоскор, фотографии и кпнемагогр. и метрологии быстропротекагадмх процессов", М.ВНИЖШ, 1975, с.105

23. Быховская Л.Н., Гуревич U.M., Лопухин В.В., Селиванова Л.Ф. - Исследования характеристик быстродействующих' отпаянных

разрядников, поджигаемых излучением лазера - Квантовая электроника, 1977, том 4, в.8, с.1708-1713.

24. Гуревпч K.î.i. - О зависимости электропроводности от теш? ратуры в низкотемпературной плазме высокого давления - Тезисы докладов Второго Всесоюзного совещания пл плазмохимической—технологии и аппаратосгроению, т.Л, Москва,_Ï977, c.I27-I3I._

25. Быховская Л.H., Гуревич И.Ы., Пятницкая Г.А—-Исследовг ние импульсной лампы с большой оптической глубиной разряда.' -Тезисы докладов Всесоюзк. научно-техн. конференции. "Современ. состояние и перспективы развития высокоскорост. фотогр. и кпнема-тогр. и метрологии быстропротекащих процессов", Ы. ВШИОШ, 1978, с. 105.

26. Гуревич И.М. - К расчету нулоновского сечения слабонеиде альной импульсной плазмы инертных газов. - Теплофизика высоких температур, IS79, том 17, ü 5, с. S06-9II.

27. ТУревич Й.М., Токарева А.Н. - 0 расчете спектров излучения импульсных трубчатых ламп - Тезисы докладов 10 Всесоюзной нау но-технической конференции "Высокоскоростная фотография и метролс гая быстропротекающих процессов", М.ВНИИОФЙ, 1981. с.67.

28. ТУревпч I'I.IvI., Каратшк Б.Г., Сенекнна Г.В., Токарева А.Н.

- ¡¿итерационный метод расчета степени ионизации к электронных кои центравдй-низкотемпературной слабонеидеальной плазмы аргона, крип гона п ксенона. - В кн. "Методы и средства обработки физической ■информации" - Сборник научн. трудов, Ы. ВНЙИФТРЛ, 1983, с.12-18.

29. ТУревич П.1Л., Дрожбин 10.А., Павлыган Г.Н. - Спектральная установка,.-, для измерения коэффициента преобразования приемников излучения в спектральном диапазоне А = 200-1400 нм. - Тезисы докладов Всесоюзного научно-технической школы - семинара "Лазерно оптическое и спектральное приборостроение", Минск, I9S6, с.139-14

30. Гуревич li.í.I., Токарева А.Н. - Электрические характеристи ки низкотемпературной плазмы ждульского разряда в & t* j , Хе, В Сб. "Плазмохпмия-87". Часть 2, АН СССР, ШХС им. А. Б. Топчиева', Москва, 1987, с. 97-113.

31. Гурозпч Vi.ll., Мнускпн B.C., Токарева А.Н., Чувапев С.Е.

- О поглощении оптического пзлучен::я в умеренно-плотной кедебаев-ской плазме разряда в инертных газах и их смесях. - Теплофизика высоких температур, том 27, !"¡ 6, I98S, с. 1068-1077.

32. Руревич И.М., Костин Б.И., Рычкова H.A. - Спектральные характеристики радиационных термоэлементов в диапазоне ^ = (210-1400) нг.1. - В сборнике тезисов докладов 12 Всесоюзного семинара "Импульсная фотометрии", Ленинград, 1988, с.97-98.

.33. Руревич И.И., Токарева АЛ1. - Исследование и расчеты

спектров излучеюхй слабоневдеаяьно'Ё'тшазш импульсного разряда1-------- ■ -

в инертных газах"- Тезисы"докладов Г-го~Всесоюзного""симпозиума по радиационной плазмодинамике часть 2. АН СССР, Москва, Энерго-атомиздат, 1989, с.77-79.

34. Руревич И.М. К расчету импульсных излучателей с оптимальными характернотиками - Тезисы докладов X7I н-т.конф. "Высокоскоростная фотография и фотоника и метрология быстропротекакщих процессов". М. ВНИИСШ, ноябрь 1993, с.8.

Автором получено 8 авторских свидетельств на изобретения.

Зависимость от температуры плазмы /4Л

I - Спитцер. Физика полностью иошз.газа. 2 - /¿/ллэ Уйлл Phys.Sor.Jjr}2" 1043 (1563)- 3 - Наст.работа Ъ

Электропроводность плазмы Ксенона. (Р= 200 ш.р.с.) - Теория: I - Спптцер. (С.м. выше ). 2 - Gen? t и др. - Prot. 5-^1

Con-х- с-яьз>1ньЛ1г.ое , bcníicn , 1974, р. 59. 3 - Наст .работа. " 4 - & -.Хоглкин, ТБТ, IS78, т.16, с.37. 5 - о- Литвинов, ТЗТ, IS75¿ т.13, J3 5, с.1100. 6 - Ф - Градов. Езв.СОАН, сео. техн.н., 1982, U 3, в.1, с.86. Зкспеопмент: » - Вуковпч, Т.оТ, 1972, т..6, D 10, c.4I9- -t-- - ь Iheas, tn

s-fe 1.41.-te o 4 p ь v 4. es., в e i й h A de \ <5 7 7 . X -Андреев,"

K74,1?!?; p.29.C-I300; ° - ^■•i'i' Г- 'PoVov¡c ДTísica

Г U. to'

¡■и /I */е

Зависимость температуры Хе - плазмы от плотности тока.

Теория: 1,2,3- наст.работа; 200, 400, 600 мм; 4,5--Бакеев, Ровинский - TBI, т.8, в.6, 1970 с.1121; 6 - Александров, Маршак Рухадзе - ЕТФ, IS74, т.44, в.З; 7- l»^ w, bpi. Opt, Vol,. 21, le 41, 16 ^ьк 1982. , , _ ,л p

Эксперимент: 0 D Я - 200, 400, 600'.' мм: Gcnet.Pop^it/ruc Cmij. Oh C-?ST>i4tW?i.oe,U»<l.i{[97i.', p. 53. 0, o,©- 100, 400, 600 мм.рт.сг.: Ровинский, Ш, 1972, т.10, В I, c.I; ТВТ, т.8, в.6, с.1121; Опт.и спектроскопия, 1969, т.27, 2, с.215.

■+• - 400 ш.рт.сг; Иванов, Розанов, Ш>, 1973. т.43, в.2. Л - 600 г/м.рт.сг., Андреев, Гаврилов, ЕТФ, 1970, т.15, й 6, с.1300

"ж.

ЛО

4,0

с а

г,о

-¿О I

ю см

0-

о4

~ -ц -

л

о \ < ь

V

]\ ^ . | " \ ж

л ь*

о»

ю га

зо

Зависимость удельного козю. поглощения от длины болнегв плазме Хе (Т=1000£>К).Теория: 1-Биберман, Борман, УФН, 1967, т.91,в.2, с.193. 2- Янков, Опт.и спектроскопия: 14, 29, 1963. 3 - Щербаков,ЖПС, т.ХП в 6, 984, 1938. 4 - Воробьев, ТВТ, т.16, гё 3, с.464, 1379. Эксперимент: Л - Ровинскии, Опт.и спектроскопия, 1969, т.27, й 2, с.215:О - наст.работа: □ - Гемйаркевский, ■Опт.и спектроскопия, 28,. .15 6,. 1101, .1970;+ -Етте*,х^р1^974, й 9, р.2601; • - - Игнатьев, ШС, 1970 т.ХП, 3, 537.

Г,' »1

а.' о.г о,4 об ¿о е.о /ста ¿о,о ле,/о с/ч1

Зависимость $ -фактора Бив-Нормана от Пе в плазме^ ксенона. Теория: I - Биберман-Норман, УШ, 1967; ЗОШ,^^ 1963; 2, -2а - Кобзев, Курленков, Норман, ТВТ, 1977, т.15, в.1. Эксперимент: О - тасг.работа; □ - Волков ТВТ, т.17, Ь 4, 1979; А - Сеченов, Физика плазмы, т.765, 1172, 1981; Сие^еь Рьс Со^. ОЬ &г>5. р.118,. 1972