Разработка монофотонного сенсора ультрафиолетового диапазона с улучшенными характеристиками тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.01 ВАК РФ

на правах рукописи

Степанов Сергей Николаевич

Разработка монофотонного сенсора ультрафиолетового диапазона с улучшенными характеристиками

Специальность: 01.04.01 —«Приборы и методы экспериментальной физики»

Автореферат диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук

1 9 МАЙ 2011

Москва 2011

4847400

Актуальность работы

В настоящее время существует широкий класс научных и практических задач (мониторинг состояния силовых энергетических установок и ЛЭП, защита гражданских судов от поражения ракетами, изучение динамики процессов горения и взрыва, обнаружение лесных пожаров на ранних стадиях, изучение озонового слоя и транзиентных люминесцентных явлений в верхней атмосфере, и т. п.), решение которых предполагает проведение дистанционных наблюдений в различных диапазонах электромагнитного спектра, в том числе УФ-С диапазона. Преимущество УФ-С диапазона для обнаружения и оценки параметров источников его излучения состоит в том, что благодаря озоновому слою Земли этот диапазон является «солнечно-слепым», что обеспечивает низкий уровень фоновых шумов. Существующие отечественные и зарубежные сенсоры, основанные на использовании матричных приёмников, работающие в УФ-С диапазоне, обладают рядом недостатков: низкой чувствительностью, отсутствием возможности определения временных характеристик источника излучения. В связи с этим представляется актуальным разработка усовершенствованного монофотонного сенсора УФ-С диапазона с использованием время-координатного чувствительного детектора (ВКЧД) и обладающего улучшенными характеристиками и способностью измерять время-амплитудную зависимость регистрируемого излучения, что позволит существенно расширить класс решаемых задач.

Особенностью разработанного сенсора является способность определения угловых координат регистрируемого фотона УФ-С диапазона и определение (с точностью до 1 не) времени его прихода на фокальную поверхность сенсора. Это обеспечивает сенсору уникальную возможность измерения временной зависимости регистрируемого излучения и анализа этой зависимости. Таким образом, у созданного сенсора возникает инновационное качество — определение пространственно-временных особенностей УФ-С источника излучения, что коренным образом повышает его эффективность по сравнению с известными отечественными и зарубежными аналогами.

3

Значимым применением монофотонного сенсора в совокупности с методами обработки его выходной информации является дистанционная диагностика коронных разрядов с целью предупреждения возникновения аварий на подстанциях или на линиях электропередач (ЛЭП).

Разработанный сенсор может применяться в системах обеспечения посадки воздушных судов в сложных метеоусловиях, оснащенных маяками, излучающими в УФ-С диапазоне, которые позволяют осуществлять навигацию самолётов и вертолётов как в дневное, так и в ночное время.

Монофотонный сенсор является частью проекта малого космического аппарата «Астрогон-Вулкан», где он выступает в роли безынерционного сенсора в составе прецизионных астродатчиков.

Ещё одно спутниковое применение сенсора — мониторинг состояния озонового слоя Земли. Измерение толщины озонового слоя производится через измерение отражённого солнечного излучения на различных длинах волн в УФ диапазоне.

Высокое временное разрешение прибора может также сыграть ключевую роль при разработке спутникового датчика вспышек, возникающих от стратосферных электрических явлений. Прибор позволил бы не только регистрировать данные явления и фиксировать их время появления, но и изучать их пространственно-временную структуру.

В результате синхронного анализа выходного и отражённого потоков фотонов при активном режиме работы прибора и при наличии синхронной УФ-С подсветки наносекундными импульсами можно получить ЗО-изображение наблюдаемого объекта. На основе данного прибора создана система активного ЗО-зрения для наблюдения неизлучающих объектов. Это может стать основой создания интеллектуальных робототехнических систем на основе трёхмерного видения без традиционного в таких системах сканирования с существенно более высокой энергетической эффективностью.

Ещё одной проблемно-ориентированной задачей для монофотонного сенсора является мониторинг лесных пожаров. В рамках системы мониторинга

4

лесных пожаров, которая также включает гиперспектрометр АСМГ-М, монофотонный сенсор является источником целеуказания ядра пожара.

Выше изложенное свидетельствует об актуальности диссертационной работы.

Цель работы

Основной целью диссертационной работы является создание монофотонного сенсора УФ-С диапазона с улучшенными характеристиками, обладающего повышенной чувствительностью и временным разрешением, способного функционировать в жёстких условиях применения и обладающего высокой надёжностью:

• спектральный диапазон: 250...280 нм;

• частота регистрации единичных фотонов: 200 ООО событий/сек;

• уровень собственных шумов: 80 событий/сек;

• временное разрешение: лучше 1 не;

• координатное разрешение: 0,2 градуса;

• угол зрения: 120 градусов;

• температура эксплуатации: -55...+60 °С;

• срок службы: 3000 часов.

Выбор цели исследования обусловлен потребностями перечисленных выше практических приложений в повышении дальности (чувствительности) обнаружения излучений, анализа их происхождения и оценки параметров, работоспособности в сложных условиях применения и функционирования без существенного изменения характеристик в течение длительного времени.

Анализ конструкции современных сенсоров показал, что основной потенциал улучшения их характеристик лежит, во первых, в области создания оптических фильтров, обеспечивающих высокий уровень пропускания в рабочем диапазоне длин волн (30...50 %) при чрезвычайно высоком уровне подавления паразитного видимого диапазона до 10"15 раз. Всё осложняется тем, что такой перепад пропускания фильтра должен происходить на узком участке

5

спектра в 5... 10 нм. Во вторых, монофотонный характер регистрации на уровне единичных фотонов предъявляет особенно повышенные требования к разработке электроники для достижения предельной чувствительности и быстродействия сенсоров.

Поэтому достижение поставленной в диссертации цели лежит в направлении создания фильтров УФ-С диапазона с существенно улучшенными характеристиками и в направлении совершенствования электронных трактов.

Основой построения фильтров оптического излучения, обеспечивающих подавление фонового излучения на 14...16 порядков при пропускании в рабочем диапазоне 250...280 нм от 30 % и более, являются водорастворимые кристаллы сульфата никеля и сульфата кобальта, выращиваемые в кристаллизационных установках.

Кристаллы должны иметь правильную структуру, не иметь свилей, включений посторонних веществ, отличаться высокой степенью оптической однородности, температурной стабильностью, т. е. относиться к совершенным кристаллам. Для построения реальных оптических систем размеры кристаллов должны превышать 5 см. Выращивание кристаллов требует нескольких месяцев, в течение которых должны поддерживаться стабильные условия роста.

Кристаллы выращиваются в кристаллизационных установках. На сегодняшний день управление кристаллизационными установками осуществляется промышленными системами автоматического регулирования общего назначения (иногда их называют программируемые контроллеры). В связи с относительно большой продолжительностью роста кристаллов (до полугода непрерывного роста) принципиальное значение имеет надёжность аппаратуры. Использование промышленных программируемых контроллеров приводит к следующему:

• снижается общая надёжность системы в связи с низкой отказоустойчивостью контроллеров;

• усложняется процесс задания, измерения и контроля параметров роста кристаллов в связи с неудобным интерфейсом с пользователем и скудными средствами отображения информации;

• появляется необходимость дополнять систему измерительными и исполнительными устройствами, так как подобные системы не имеют их в своём составе;

• существенно увеличивается общая стоимость системы в связи с высокой стоимостью программируемых контроллеров;

• в ряде случаев имеет место недостаточная стабильность поддержания параметров роста.

Для преодоления этих недостатков при управлении кристаллизационными установками в рамках диссертации была разработана и изготовлена специализированная система управления кристаллизационными установками, которая используется как система автоматизации при проведении научных экспериментов при разработке новых кристаллических материалов, и как система автоматизации промышленной технологической линии при серийном выращивании кристаллов для монофотонных сенсоров.

Второе направление повышения характеристик монофотонных сенсоров, развиваемое в диссертации, — совершенствование электронных трактов — направлено на преодоление следующих недостатков существующих электронных трактов монофотонных приборов:

• высокого уровня шумов измерительных трактов;

• низкого временного разрешения при регистрации фотонов в коорди-натно-чувствительных системах;

• нестабильной работы трактов в расширенном диапазоне температур;

• изменения характеристик регистрирующих монофотонных детекторов на микроканальных пластинах при изменении температуры;

• воздействия внешнего питания на работу электронных узлов при использовании в промышленных применениях в условиях сильных электромагнитных помех.

Для исключения этих недостатков в рамках диссертации проведена разработка новых электронных узлов и методов улучшения характеристик УФ сенсора с использованием управляющего встроенного программного обеспечения.

Научная новизна работы

1. Обоснован выбор основных направлений улучшения характеристик УФ сенсора за счёт:

• целенаправленного синтеза новых фильтрующих кристаллических материалов;

• введения узла наносекундных измерений;

• разработки программно управляемых электронных модулей сенсора.

2. Определены требования к новым оптическим фильтрующим кристаллическим материалам, обеспечивающим пропускание в УФ-С диапазоне на уровне 30...50 % при подавлении фонового излучения в 10~15 раз.

3. Проведён анализ существующих систем управления установками для выращивания оптических фильтрующих кристаллических материалов, определены основные проблемы, препятствующие синтезу данных кристаллов.

4. Разработана концепция новой системы управления установками для выращивания кристаллов, обеспечивающей рост кристаллов с требующимися свойствами. Рассмотрены варианты схемотехнических решений, проведено их моделирование и оптимизация. Реализовано динамическое управление коэффициентами регулирования.

5. Исследованы пути устранения зависимости характеристик сенсора от температуры.

6. Разработана методика и управляющее программное обеспечение для улучшения временного разрешения до субнаносекундных значений за счёт совместной обработки информации от временного и координатного канала.

7. Найден способ увеличения в более чем в 100 раз динамического диапазона фотоэлектронного умножителя за счёт стробирования фотокатода.

8. Определена необходимость создания программно управляемого многоканального высоковольтного источника для фотоэлектронного умножителя.

9. Обоснована необходимость разработки модуля вторичного электропитания для обеспечения требуемых технических и эксплуатационных характеристик сенсора.

10. Создана концепция построения монофотонного сенсора ультрафиолетового диапазона, способного вести регистрацию единичных фотонов со скоростью до 200 000 соб./сек при уровне собственных шумов не более 80 соб./сек, обладающего временным разрешением на уровне 1 не, угловым разрешением 0,2 градуса при угле зрения 120 градусов и функционирующего в широком температурном диапазоне: от-55 до 60 °С.

11. На основе разработанной концепции был создан монофотонный сенсор, исследованы его характеристики, подтвердившие теоретические оценки.

Практическая значимость работы

Созданный сенсор лёг в основу ряда успешно выполненных опытно-конструкторских разработок:

1. Гос. контракт № ГК-14-14-03/2010-11 от 15.03.2010.

2. Гос. контракт № 02.523.12.3004 от 06.08.2007.

3. Гос. контракт № АВ/06/461/РГА/К от 10.11.2006.

Начиная с 2010 года ведётся серийный выпуск разработанного сенсора.

Достоверность результатов работы

Достоверность результатов работы подтверждается результатами экспериментальных лабораторных исследований и предварительных и межведомственных испытаний, в ходе которых измерены основные параметры прибора и проведено их сравнение с расчётными, а также результатами полевых испытаний как на стационарных объектах, так и на борту воздушного носителя.

Положения, выносимые на защиту

1. Концепция построения и разработка монофотонного сенсора ультрафиолетового диапазона с улучшенными характеристиками и функционирующего в диапазоне температур от —55 до +60 °С.

2. Способ повышения статических характеристик координатно чувствительного детектора:

• соотношения сигнал/шум — в 100 раз;

• разрешения — в 10 раз.

3. Способ увеличения динамического диапазона координатно чувствительного детектора в 100 раз.

4. Способ повышения временного разрешения монофотонного сенсора.

5. Аппаратные и программные средства для модулей сенсора.

6. Концепция построения и разработка высокоточной и высоконадёжной системы управления кристаллизационной установкой.

Апробация работы

Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на:

• Втором симпозиуме «Современная химическая физика», Туапсе, сентябрь — октябрь 2010 г;

• Восьмой Всероссийской Открытой ежегодной конференции «Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса» Москва, ИКИ РАН, 15—19 ноября 2010 г;

• Семинарах Института проблем механики им. А. Ю. Ишлинского РАН;

• Семинарах Института кристаллографии им. А. В. Шубникова РАН;

• Семинарах Научно-технического центра «Реагент».

Публикации

В рамках диссертации было опубликовано семь печатных работ и получен один патент на полезную модель. Список работ приведён в конце автореферата.

Структура диссертации

Диссертация состоит из введения, четырёх глав, заключения, списка литературы. Она изложена на 148 страницах и содержит 18 таблиц, 97 рисунков и список литературы из 35 наименований.

Содержание работы

Во Введении обосновывается актуальность темы, излагается цель, научная новизна, практическая значимость и достоверность результатов работы, приводятся положения, выносимые на защиту, личный вклад автора и структура диссертации.

В первой главе проводится обзор монофотонных сенсоров ультрафиолетового диапазона, описание задач, решаемых с применением УФ сенсоров, и обоснование необходимости повышения эффективности работы сенсоров. Применительно к решению задач, рассмотренных в данной главе, осуществляется формулировка научно-технической задачи.

Вторая глава посвящена разработке системы управления кристаллизационной установкой для выращивания кристаллов для объективов монофотонных сенсоров.

Для создания специализированной объективов монофотонных сенсоров требуются кристаллы со строго заданными свойствами, в частности, обеспечивающими пропускание заданного диапазона длин волн. Эти кристаллы должны

11

обладать как большими размерами, так и совершенными и строго заданными оптическими свойствами. Процесс роста кристалла может длиться от двух недель до нескольких месяцев. Это время определяется типом выращиваемого кристалла. На всём протяжении процесса роста кристалла отклонение температуры среды, в которой выращивается кристалл, от заданной температуры, не должно превышать 0,05 °С, иначе в кристалле образуются дефекты, которые отрицательно скажутся на его качестве, что может сделать невозможным применение его в качестве оптического фильтра.

В первом параграфе производится описание установки для выращивания кристаллов из водных растворов.

Во втором параграфе осуществляется постановка задачи и описание методов высокоточного измерения температуры, их практическая реализация и выбор подходящего метода для данной задачи.

В третьем параграфе приводится функциональная схема системы управления кристаллизационной установкой, получившей название СУКРУС-1, а также производится описание её составных частей.

Схема СУКРУС-1 с кристаллизационной установкой, которой она управляет (выделена пунктирной линией), показана на Рис. 1. В стеклянном термостате 1 с дистиллированной водой 2 помещается стеклянный резервуар 3 с платформой 4, на которой расположен затравочный кристалл 5. Путём управления нагревательными элементами 6 температура внутри термостата устанавливается в соответствии с технологической программой. Для обеспечения равномерного распределения температуры внутри термостата дополнительно осуществляется вращение конвекционного ротора 7 при помощи электропривода 8, а при помощи электропривода 9 происходит вращение платформы 4 с растущим кристаллом для осуществления равномерного омывания кристалла маточным раствором (раствором, из которого растёт кристалл). Измерение температуры в термостате осуществляется с помощью датчика 10. Для контроля за уровнем воды в термостате используется датчик уровня жидкости 11.

Рис. 1. Функциональная схема системы СУКРУС-1 с кристаллизационной установкой.

Система СУКРУС-1 состоит из следующих составных частей:

12 — блок управления (БУ) — выполняет функции управления и контроля всех составных частей системы кроме двигателя электропривода 8. В БУ производятся вычисление результатов измерений, через него осуществляется связь с оператором, а также взаимодействие с ЭВМ;

13 — силовой блок (СБ) — выполняет функции управления исполнительным двигателем платформы с кристаллом;

14 — преобразователь интерфейсов (ПИ) 118-485 / 118-232 — служит для соединения одного или нескольких БУ, объединённых в сеть, с ЭВМ;

15 — коробка разветвительная (КР) — служит для соединения в сеть 118485 нескольких БУ;

16 — GSM модем — служит для связи с оператором или удалённой системой посредством GSM связи;

17 — коробка пускателя электропривода 8 конвекционного ротора термостата — обеспечивает работу данного двигателя.

Элементы 14, 15, 16, являются опциональными. Элементы 14 и 15 могут входить в состав сразу нескольких систем СУКРУС-1.

В четвёртом параграфе производится описание основного элемента созданной системы — блока управления (БУ), выполняющего функции управления и контроля всех составных частей системы.

Был проведён сравнительный анализ блока управления разработанной системы с промышленными образцами (Табл. 1).

Табл. 1. Сравнение характеристик блоков управления.

V

Параметр Овен Ремиконт ЕигоШегт СУКРУС-1

тр:. Р-130 2404

Разрешающая способность, °С 0,1 0,05 0,01 0,01

Количество каналов измерения температуры 2 4 1 2

Количество технологи-чески-чл^юграмм/шагов 12/10 1/99 20/16 10/40

Прямое управление нагревательными элементами Нет Нет Нет Да

Изме, нагревательных элементов ■ ■ Нет Нет Нет Да

Управление приводом кристаллодержателя Нет Да Нет Да

Протоколирование :::!ЗР| Нет Нет Нет Да

Цифробуквенный индикатор с русским шрифтом Нет Нет Нет Да

Клавиатура 4x4 Нет Нет Нет Да

Оповещение об ошибках и авариях Индикация Индикация Индикация Индикация/ звук/SMS

Потребляемая мощность, Вт 6 15 н/д 1,5

Страна-производитель' Россия Россия США Россия

Среди прочих преимуществ разработанного блока управления особенно следует отметить высокую разрешающую способность и точность регулирования, достигнутых за счёт сочетания схемотехнических приёмов и теоретических подходов, одним из которых является реализация ПИД-регулирования, а также возможность динамического изменения коэффициентов регулирования в процессе работы. Рассмотрим эту функцию более подробно.

В обычном ПИД-регуляторе выходной сигнал регулятора и определяется тремя слагаемыми:

"(О = Кре(0 + К, )еШг + К„^ = Р + 1 + 0,

о

где Кр, Л"/, Кл — коэффициенты усиления пропорциональной, интегральной и дифференциальной составляющих регулятора соответственно; е — рассогласование.

Блок управления обладает функцией измерения мощности нагревательных элементов. Таким образом, в случае изменения потребляемой мощности нагревательных элементов, например, из-за повреждения или из-за изменения напряжения в сети, система может подстроить коэффициенты регулирования с целью компенсации данного изменения, т. е. осуществить динамическое изменение коэффициентов регулирования:

IV

и{1)= — р + _/ + д аР р,

где ар, р1 — коэффициенты влияния мощности IV на пропорциональную и интегральную составляющую соответственно.

100-75

50 -25 -

0 1

1,'С

100 75 50

0 1 Р, Вт

1000 + 750 500 250

4-

0 1

Рис. 2. Пример работы системы регулирования при изменении мощности нагревательных элементов (снизу): без динамического изменения коэффициентов (первый сверху) и с динамическим изменением коэффициентов (посередине).

Пример работы системы при изменении мощности нагревательных элементов показан на Рис. 2. Как видно из рисунка, без динамического изменения коэффициентов переходный процесс вызывает изменение температуры на несколько градусов, а при динамическом изменении коэффициентов переходный процесс пренебрежимо мал. Как уже было сказано, колебания температуры на всём протяжении процесса роста кристаллов не должны превышать 0,05 градусов.

Табл. 2. Данные по отказам блоков управления.

Тип отказа

Овен ТРМ151-05 Ремиконт Р-130 СУКРУС-1

Сбой встроенного программного обеспечения 3 2 0

Сбой технологической программы 2 3 0

Аппаратный сбой 1 1 0

Высокая надёжность блоков управления Системы СУКРУС-1 подтверждается опытом эксплуатации в течение продолжительного времени. Для под-

тверждения надёжности блока управления Системы СУ КРУ С-1 относительно промышленных блоков управления приводится Табл. 2, где сведены данные по отказам блоков управления (по четыре образца каждого типа), работавших в течение 1 года в одинаковых условиях.

Любой сбой, указанный в Табл. 2, приводил к разрушению кристаллов, после чего процесс роста нужно было начинать заново.

Рис. 3. Фотография трёх систем управления и кристаллизаторов (филиал ИК РАН им. А. В. Шубникова, ул. Бутлерова, 17А).

В пятом параграфе подводится итог работы по созданию данной системы управления. На момент написания работы в эксплуатацию было введено пять систем управления (Рис. 3) и планируется ввод ещё тридцати систем управления в 2011 году.

Рис. 4. Кристалл сульфата никеля, выращенный под управлением системы СУКРУС-1.

Под управлением этой системы были выращены совершенные кристаллы сульфата никеля (Рис. 4) и кобальта больших размеров и весом 1,5 кг, из которых были изготовлены высококачественные фильтры для объективов монофотонного сенсора.

В третьей главе производится описание концепции построения разрабатываемого монофотонного сенсора и описание разработки усовершенствованных электронных узлов.

В первом параграфе приводится описание структурной и функциональной схемы сенсора. Структурная схема монофотонного сенсора показана на Рис. 5.

Рис. 5. Структурная схема монофотонного сенсора.

Входной объектив служит для формирования изображения на детекторе. Детектор, реализованный на координатно-чувствительном фотоэлектронном умножителе на микроканальных пластинах, осуществляет преобразование фотонов в электрические импульсы (пять каналов), которые усиливаются и оцифровываются при помощи предварительных электронных трактов (ПЭТ) для передачи на модуль ввода цифровых данных (ВЦД). После обработки модулем ВЦД данные поступают на модуль вычислителя, где происходит определение координат источника излучения и времени прихода фотонов, а также формируются данные для передачи на модуль обработки или отображения информации. Источник питания обеспечивает питанием все узлы сенсора.

В подразделах данного параграфа производится детальное рассмотрение каждого структурного узла.

Также в данном параграфе описывается способ увеличения динамического диапазона коордннатно чувствительного детектора (КЧД) на два порядка.

При входной освещённости на фотокатоде начиная с 21(Г13 Вт/см2 частота событий Fco6 снижается вследствие насыщения КЧД. График данной зависимости приведён на Рис. 6.

Рис. 6. Зависимость частоты появления событии на выходе КЧД от входной освещённости.

Для увеличения динамического диапазона введено стробирование фотокатода. Механизм стробирования фотокатода заключается в снятии с него напряжения на определенное время после регистрации фотона. Опытные данные свидетельствуют о том, что при снятии напряжения с фотокатода КЧД прекращает формирование электронных лавин, причём реакция на снятие напряжения не превышает 1 не.

Рис. 7. Зависимость частоты появления событий на выходе КЧД от входной освещённости при стробировании фотокатода.

При подаче напряжения на фотокатод его функционирование восстанавливается за время 1...2 не. Кратковременное снятие напряжения с фотокатода

(или его смещение в обратном направлении) позволяет расширить динамический диапазон КЧД в 100 раз (Рис. 7).

Кроме того, в этом параграфе приводится способ повышения временного разрешения монофотонного сенсора на два порядка.

При работе сенсора в составе системы оптической локации измерение времени производится между началом излучения источника и моментом регистрации отражённого излучения сенсором. Моменту регистрации отражённого излучения соответствует сигнал стартового канала («start» на Рис. 5), формирующийся при пересечении выходного сигнала регистратора, соответствующего приходу электронной лавины, с задаваемым пороговым значением (Рис. 8). Свойством монофотонного сенсора, снижающим точность измерений, является то, что измеренное значение зависит от интенсивности отражённого излучения: чем выше интенсивность, тем раньше появится сигнал на выходе стартового канала.

к Амплитуда, мВ |

Л

10<+ I 4

-| о1 -L Порог ф............/ Л \

л-

—^-

О 1 1,6 2 3 4 5 Время, не

Рис. 8. Выходной сигнал регистратора стартового канала при высокой интенсивности сингнала (верхняя пункт, линия) и при низкой интенсивности (нижняя пункт, линия).

Дисперсия в измерениях, вызванная данным обстоятельством, может составлять до 10 не, или 3 м. Для устранения этой дисперсии результат измерения корректируется с учётом суммы зарядов, измеряемых предварительными электронными трактами (Рис. 5).

где г — измеренный временной интервал;

I— вычисленный временной интервал;

/(0) — функция от суммы всех зарядов.

На Рис. 9 иллюстрируется вычисление суммы всех зарядов.

Амплитуда, мВ

Сумма

х

о

Время, о. е.

Рис. 9. Иллюстрация вычисления суммы зарядов. Значение х момента времени срабатывания стартового канала, значение порога срабатывания 5 и величина суммы зарядов Q связаны следующим выражением:

Отсюда, корректирующее значение х момента времени срабатывания стартового канала:

Во втором параграфе приводится описание разработки модуля многоканального высоковольтного источника питания, обеспечившего повышение статических характеристик координатно чувствительного детектора:

• соотношения сигнал/шум — в 100 раз;

• разрешения — в 10 раз.

В первом разделе данного параграфа приводится структурная схема многоканального высоковольтного модуля, показанная на Рис. 10.

Кл1

'НИ НИ НИ НИ *1фсс

иФК

Е1*

0...-10В

Е2

I1

ЕЗ

^Е Е

• 41 42 ■ Я3 с14

д5

имкпг

Е4

ик

Е 5

0...-2400 В 0...-1600 В 0..-1200 В 0...-100В

Л вип

Многоканальный высоковольтный модуль

«Старт»

«Строб»

Рис. 10. Структурная схема модуля многоканального высоковольтного источника питания.

Модуль состоит из платы программируемого многоканального высоковольтного источника питания (ВИП), собственно формирующего напряжения, и платы фильтрации, стробирования и старта (ФСС), расположенной в непосредственной близости от ФЭУ, функцией которой является подавление пульсаций с ВИП и прочих шумов. На плате фильтров также расположен узел стробирования фотокатода (схематично показан как Кл1) и узел стартового канала (схематично показан как У1).

Плата ВИП формирует пять напряжений: напряжение для фотокатода ((УФК), МКП1 (С/мкпО, промежутка (С/пром), МКП2 (С/Мкпг) и для ускорения лавины ([/уск).

Во втором разделе производится описание разработки платы высоковольтного источника питания (ВИП): раскрываются общие положения, формулируются технические требования к ВИП, производится сравнение существующих промышленных образцов ВИП, анализ их недостатков и обоснование необходимости разработки специализированного ВИП, приводится функциональная схема платы ВИП и описание работы составных узлов, в заключении данного раздела приводятся основные характеристики созданной платы.

В третьем разделе производится описание разработки узла стробирова-ния фотокатода: формулируются технические требования к узлу, приводится структурная и функциональная схема узла и описание работы составных частей узла, в заключении данного раздела приводятся основные характеристики созданного узла.

В четвёртом разделе данного параграфа производится описание разработки узла стартового канала: формулируются технические требования к узлу, приводится структурная и функциональная схема узла и описание работы составных частей узла, в заключении данного раздела приводятся основные характеристики созданного узла.

В третьем параграфе производится описание разработки модуля заря-дочувствительного усилителя (ЗЧУ), осуществляющего преобразование зарядовых импульсов, приходящих на аноды КЧД, в импульсы напряжения, пригодные для дальнейшей обработки.

В первом разделе данного параграфа рассматривается принцип функционирования ЗЧУ. Во втором разделе формулируются технические требования к ЗЧУ. В третьем разделе производится сравнение существующих промышленных образцов ЗЧУ, анализ их недостатков и обоснование необходимости разработки специализированного модуля. В четвёртом разделе приводится функциональная схема модуля ЗЧУ и описание работы составных узлов. В пятом разделе данного параграфа приводятся основные характеристики созданного модуля.

В четвёртом параграфе производится описание разработки многофункционального модуля электропитания, обеспечивающего питанием все узлы сенсора.

В первом разделе данного параграфа формулируются технические требования к модулю электропитания. Во втором разделе производится обоснование и описание топологии организации питания составных частей сенсора с целью подавления шумов. В третьем разделе приводится функциональная схема мо-

дуля электропитания и описание работы составных узлов. В четвёртом разделе данного параграфа приводятся основные характеристики созданного модуля.

В четвёртой главе демонстрируется применение разработанного усовершенствованного монофотонного сенсора ультрафиолетового диапазона.

В первом параграфе демонстрируется применение сенсора в одной из важнейших задач — проведении диагностических работ и выявлении повреждений высоковольтного электрооборудования и линий электропередачи (ЛЭП). В 2005 году на электроподстанции Чагино в Москве за несколько недель до аварии, приведшей к серьёзным перебоям в электроснабжении Москвы и области, при помощи данного сенсора было зарегистрировано мощное ультрафиолетовое излучение, свидетельствующее об износе электрооборудования.

Во втором параграфе демонстрируется применение сенсора с целью изучения индустриальных и естественных источников излучения в УФ-С диапазоне спектра и прохождения УФ-С излучения сквозь атмосферу

В третьем параграфе приводится пример работы сенсора в составе системы оптической локации (или монофотонного датчика микрорельефа — МДМ-локатора).

В заключении приводятся основные результаты работы:

1. Проведён анализ существующих систем управления установками для выращивания оптических фильтрующих кристаллических материалов, определены основные проблемы, препятствующие синтезу данных кристаллов.

2. Разработана концепция новой системы управления установками для выращивания кристаллов, обеспечивающей рост кристаллов с требующимися свойствами. Рассмотрены варианты схемотехнических решений, проведено их моделирование и оптимизация. Реализовано динамическое управление коэффициентами регулирования.

3. Исследованы пути устранения зависимости характеристик сенсора от температуры.

4. Разработана методика и управляющее программное обеспечение для улучшения временного разрешения до субнаносекундных значений за счёт совместной обработки информации от временного и координатного канала.

5. Найден способ увеличения в более чем в 100 раз динамического диапазона фотоэлектронного умножителя за счёт стробирования фотокатода.

6. Создан многоканальный программируемый высоковольтный источник питания, функционирующий в широком диапазоне температур, для работы с координатно-чувствительным детектором на основе фотоэлектронного умножителя. Работа включала в себя как в создание аппаратной части, так и разработку низкоуровневого программного обеспечения для платы и управляющего программного обеспечения под ЭВМ.

7. Создан узел стартового канала и узел стробирования фотокатода. Последний обеспечивает сохранность чувствительного элемента и позволяет функционировать прибору в условиях чрезмерной световой интенсивности.

8. Создан зарядочувствительный усилитель, функционирующий в широком диапазоне температур, для работы с координатно-чувствительным детектором, отличающийся высокой стабильностью параметров, малыми габаритами и низким энергопотреблением.

9. Создан многофункциональный модуль электропитания для бортового варианта УФ сенсора. Созданный модуль, имея обширные возможности диагностики и регулирования основных параметров, обеспечивает надёжное функционирование всех электронных узлов сенсора.

10. В результате использования данных разработок был создан время-координато-чувствительный УФ сенсор, обладающий усовершенствованными техническими характеристиками (Табл. 3), а именно улучшены по сравнению с промышленными аналогами:

• чувствительность — в 10 раз;

• временное разрешение — в 100 раз;

• число регистрируемых событий увеличено до 200 000;

• поле зрения увеличено до 120 градусов.

25

Благодаря высоким технических характеристикам разработанного сенсора имеется возможность его использования в таких приложениях как защита воздушных судов от поражения ракетами, дистанционная диагностика высоковольтной изоляции, мониторинг состояния озона в стратосфере, изучение стратосферных электрических явлений, мониторинг лесных пожаров, трёхмерная локация, радиационная безопасность и в других промышленных, научных и специальных применениях.

Табл. 3. Технические характеристики созданного УФ сенсора.

Ха^аггеристша Значение

Поле зрения, град 120

Точность оценки координат точки, град, 0,2

Временное разрешение, не 1

Спектральный диапазон, нм 250...280

Интенсивность шумовых фотонов со всей поверхности фотокатода, 1/с < 100

Энергопотребление, Вт 30

Соответствие требованиям ГОСТ для применения на борту авиационного судна Полное

Рабочая температура, °С -55...+60

Ресурс работы, ч 3000

Внешний вид созданного УФ сенсора показан на Рис. 11.

Рис. 11. Внешний вид созданного УФ сенсора.

Подписано к печати: 25.04.2011. Формат 60x90 1/16. Печ. л.: 1,75. Заказ № 17. Отпечатано в типографии ЗАО «НТЦ «Реагент». 125190, Москва, ул. Балтийская, д. 14.

Тираж: 100 экз

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. Обзор монофотонных сенсоров ультрафиолетового диапазона.

Описание задач, решаемых с применением УФ сенсора.

§1.1. Структура монофотонных сенсоров.

§1.2. Обзор монофотонных сенсоров ультрафиолетового диапазона.

§1.3. Обоснование необходимости повышения эффективности работы сенсоров. Задачи, решаемые с применением УФ сенсоров.

Защита воздушных судов от террористических атак.

Диагностика высоковольтного электрооборудования.

Изучение динамики процессов горения.

Изучение индустриальных и естественных источников излучения в УФ-С диапазоне спектра.

Мониторинг состояния озонового слоя Земли и аэрозолей, вызванных пожарами, вулканами, техногенными катастрофами.

Оптическая локация с помощью монофотонного УФ-С сенсора.

Изучение транзиентных световых явлений в стратосфере.

Формулировка научно-технической задачи.

ГЛАВА 2. Разработка системы управления кристаллизационной установкой для выращивания кристаллов для объективов монофотонных сенсоров.

§2.1. Описание установки для выращивания кристаллов из водных растворов.

§2.2. Постановка задачи.

Датчики температуры и методы измерения температуры.

§2.3. Описание системы СУКРУС-1.

§2.4. Блок управления.

Назначение блока управления.

Функционирование блока управления.

Сравнение с существующими аналогами.

§2.5. Демонстрация работы системы СУКРУС-1.

ГЛАВА 3. Разработка усовершенствованных узлов монофотонного сенсора.

§3.1. Описание монофотонного сенсора.

Входной объектив.

Координатно-чувствительный детектор.

Зарядочувствительный усилитель.

Модуль аналого-цифрового преобразователя.

Стартовый канал.

Высоковольтный источник питания, узел фильтрации и стробирования.

Модуль ввода цифровых данных.

Временной канал.

Модуль вычислителя.

Модуль источника питания.

§3.2. Разработка модуля многоканального высоковольтного источника питания.

Структура модуля.

Плата высоковольтного источника питания.

Узел стробирования фотокатода.

Узел стартового канала.

§3.3. Разработка модуля зарядочувствителъного усилителя.

Общие положения.

Постановка задачи.

Обзор существующих зарядочувствительных усилителей.

Функционирование платы зарядочувствителъного усилителя.

В настоящее время в различных областях науки и техники всё более широкое применение находит использование ультрафиолетового (УФ) спектрального диапазона. Весь УФ диапазон условно можно разделить на поддиапазоны: УФ-А (длины волн 315.400 нм), УФ-В (280.315 нм), УФ-С (200.280 нм) [Рекомендации по метрологии Российской Федерации Р50.2.044-2005 Государственная система обеспечения единства измерений. Характеристики оптического излучения солнечных имитаторов].

Интерес к области УФ-А, известной как диапазон «Пчелиного зрения», обусловлен сильным различием контрастов между отражением различных веществ. В частности, низкий уровень отражения хлорофилла позволяет насекомым видеть яркие в этом диапазоне цветы на слабом фоне зелени.

Интерес к области УФ-В обусловлен тем, что это область эритемной чувствительности кожи. Этот диапазон определяет загар кожи и остро чувствителен к состоянию озонового слоя атмосферы. Именно по особенностям пропускания солнечного излучения в этом диапазоне можно оценить состояние озонового слоя планеты.

Интерес к УФ-С обусловлен тем, что этот диапазон имеет предельно низкий уровень фоновых помех.

Отметим, что основным источником естественных помех оптического диапазона является солнечная радиация. Однако благодаря озоновому слою планеты, а также атмосфере основная часть солнечной УФ радиации блокируется. В основном спектр оптического солнечного излучения, достигшего земной поверхности, сконцентрирован в области видимого и инфракрасного излучения (Рис. 1).

В атмосфере Земли солнечная радиация охватывает только УФ-А и УФ-Б диапазон. Влияние солнечной радиации на диапазон УФ-С пренебрежимо мало в любое время суток.

Таким образом, спектральный диапазон от 280 нм и меньше можно охарактеризовать как свободный от воздействия солнечного излучения (солнечно-слепой). Отсутствие естественных помех, обусловленных солнечной радиацией, и низкий уровень фоновых помех в УФ-С диапазоне делает солнечно-слепой диапазон весьма привлекательным для создания фотоприёмной аппаратуры, решающей различные технические задачи.

Работы по созданию сенсоров УФ диапазона ведутся много лет на Западе и в России. Основной проблемой использования, в частности, УФ-С диапазона является малость абсолютной величины сигналов и предъявление повышенных требований к чувствительности сенсоров. Однако чувствительность ограничивается необходимостью отфильтровать видимый спектр с подавлением паразитного диапазона на 15 порядков в диапазоне 5. 10 нм по спектру. В качестве эффективного решения этой сложной технической задачи были созданы новые фильтрующие материалы, промышленное производство которых потребовало создания существенно более совершенной по точности контролируемых параметров и надёжности системы автоматизации установок роста фильтрующих кристаллов.

В диссертации представлены результаты разработки монофотонного сенсора УФ-С излучения (при непринципиальных модификациях преобразуется в сенсор УФ-В) с существенно улучшенными характеристиками, обоснованы области его применения.

Разработанный монофотонный сенсор регистрирует с высокой вероятностью фотоны УФ-С излучения и для каждого зарегистрированного фотона определяет две угловые координаты и время его прихода с точностью до 1 не. Определение времени прихода фотонов,с высокой точностью является ключевой особенностью прибора, так как оно обеспечивает сенсору уникальную возможность не только обнаружения точечных источников УФ-С излучения, но и определения амплитудно-временной характеристики регистрируемого УФ излучения. Это существенно расширяет возможности созданного сенсора по сравнению с имеющимися российскими и зарубежными аналогами.

Кроме создания координатно-временного канала к существенным улучшениям характеристик относится значительное (в 10 раз) повышение чувствительности сенсора, расширение его динамического диапазона, расширение температурного диапазона применения в область от -55 °С и до +60 °С, повышение надёжности и увеличение срока работоспособности сенсора.

Актуальность работы

Отсутствие естественных помех, обусловленных солнечной радиацией, низкий уровень фоновых помех в УФ-С диапазоне делает солнечно-слепой диапазон весьма привлекательным для приложений.

Его практическое освоение требует создания нового поколения универсальных монофотонных сенсоров в УФ-С диапазоне. С разработкой таких сенсоров связано решение широкого круга технических и технологических проблем. В частности, необходимо создание фильтров УФ-С диапазона, обладающих высокими селективными свойствами. Монофотонный режим работы сенсора предполагает регистрацию отдельных фотонов, что определяет его высокую радиационную чувствительность. Особенностями разработанного сенсора является способность определения угловых координат регистрируемого фотона УФ-С диапазона и определение (с точностью до 1 не) времени его прихода на фокальную-поверхность сенсора. Это обеспечивает сенсору уникальную возможность измерения, временной зависимости регистрируемого излучения и анализа этой зависимости. Таким образом, у созданного сенсора возникает инновационное качество — определение пространственно-временных особенностей.УФ-С источника излучения, что в значительной степени повышает его эффективность по сравнению с известными отечественными и зарубежными1 аналогами.

Эти свойства обеспечивают применение таких сенсоров в системах защиты воздушных судов от террористических атак с применением переносных зенитных комплексов.

Значимым применением монофотонного сенсора, в совокупности с методами обработки его выходной информации, является дистанционная' диагностика коронных разрядов с целью предупреждения возникновения аварий на подстанциях или на линиях электропередач (ЛЭП).

Разработанный сенсор может применяться, в системах,обеспечения посадки в сложных метеоусловиях воздушных судов, оснащённых маяками, излучающими в УФ-С диапазоне, что позволяет осуществлять навигацию самолётов и вертолётов как в дневное, так и в ночное время, и т. п.

Монофотонный сенсор является частью проекта малого космического аппарата «Астрогон-Вулкан» [1], где он выступает в;роли.безынерционного сенсора в составе прецизионных астродатчиков.

Ещё одно спутниковое применение сенсора — мониторинг состояния озонового слоя Земли. Измерение толщины, озонового слоя производится через измерение отражённого солнечного излучения на различных длинах волн в УФ диапазоне. В настоящее время для,этих целей используется американский прибор TOMS (Total Ozone Mapping Spectrometer).

Высокое временное разрешение прибора может также сыграть ключевую роль при разработке спутникового датчика вспышек, возникающих от стратосферных электрических явлений [2]. Прибор позволил бы не только регистрировать данные явления и фиксировать время их появления, но и изучать их пространственно-временную структуру.

В результате синхронного анализа выходного и отражённого потоков фотонов при активном режиме работы прибора, при наличии синхронною УФ-С подсветки наносекундными импульсами, можно получить ЗБ-изображение наблюдаемого объекта.

На основе данного прибора создана система активного ЗО-зрения для наблюдения неизлучающих объектов [3]. Система имеет стробирующий источник излучения, посылающий с некоторой частотой короткие УФ импульсы, а монофотонный сенсор регистрирует отражённое излучение, в результате чего формируется ЗБ-модель наблюдаемого объекта. Этот подход может стать основой создания интеллектуальных робототехнических систем на основе трёхмерного видения без традиционного в таких системах сканирования с существенно более высокой энергетической эффективностью.

Ещё одной проблемно-ориентированной задачей для монофотонного сенсора является мониторинг лесных пожаров. В рамках системы мониторинга лесных пожаров, которая также включает гиперспектрометр АСМГ-М [4], монофотонный сенсор является источником целеуказания ядра пожара.

Использование-УФ-В диапазона актуально в-системах радиационной безопасности для наблюдения слабой флуоресценции линий молекулярного азота в атмосфере.

Вышеизложенное свидетельствует об актуальности исследований, выполненных в диссертационной работе.

Цель работы

Основной целью диссертационной- работы является создание монофотонного сенсора УФ-С диапазона с улучшенными характеристиками, обладающего повышенной чувствительностью и временным разрешением, способного функционировать в жёстких условиях применения и обладающего высокой надёжностью, а также разработка ключевых элементов промышленных технологий для.его массового производства.

Выбор цели исследования обусловлен потребностями перечисленных выше практических приложений в повышении дальности (чувствительности) обнаружения излучений, анализа их происхождения и оценки параметров, работоспособности в сложных условиях применения и функционирования без существенного изменения характеристик в течение длительного времени.

Анализ конструкции современных сенсоров показал, что основной потенциал улучшения их характеристик лежит, во-первых, в области создания оптических фильтров, обеспечивающих высокий уровень пропускания в рабочем диапазоне длин волн (30.50 %) при чрезвычайно высоком уровне подавления паразитного видимого диапазона до 10"15 раз. Всё осложняется-тем, что такой перепад пропускания фильтра должен происходить на узком, участке спектра в 5. 10 нм. Во-вторых, монофотонный характер регистрации1 на уровне единичных фотонов предъявляет особенно повышенные требования к разработке электроники для достижения предельной чувствительности и быстродействия сенсоров.

Поэтому достижение поставленной* в диссертации цели лежит, в направлениях создания фильтров УФ-С диапазона с существенно^ улучшенными< характеристиками и совершенствованияэлектронных трактов*.

Основой построения фильтров оптического излучения, обеспечивающих подавление фонового излучения на 14. 16 порядков при пропускании в рабочем диапазоне 250.280 нм от 30 %< и более [5], являются водорастворимые кристаллы сульфата никеля и сульфата кобальта, выращиваемые в кристаллизационных установках.

При этом кристаллы должны быть правильной структуры, не иметь свилей, включений посторонних веществ, отличаться высокой степенью оптической однородности, обладать температурной стабильностью, то есть относиться к совершенным кристаллам. Для построения реальных оптических систем размеры кристаллов должны превышать 5 см. Выращивание кристаллов требует нескольких месяцев, в течение которых должны поддерживаться стабильные условия роста.

Кристаллы выращиваются в- кристаллизационных установках. На сегодняшний день управление кристаллизационными» установками осуществляется промышленными системами автоматического регулирования общего назначения (иногда их называют программируемые контроллеры). В связи с относительно большой продолжительностью роста кристаллов (до полугода непрерывного роста) принципиальное значение имеет надёжность аппаратуры. Использование коммерчески доступных программируемых контроллеров приводит к следующему:

• снижается общая надёжность системы в связи с низкой отказоустойчивостью контроллеров;

• усложняется процесс задания, измерения и контроля параметров роста кристаллов в связи с неудобным интерфейсом с пользователем и скудными средствами отображения информации;

• появляется необходимость дополнять систему измерительными и исполнительными устройствами, так как подобные системы не имеют их в своём составе;

• существенно увеличивается общая стоимость системы в связи с высокой стоимостью программируемых контроллеров;

• в ряде случаев имеет место недостаточная стабильность поддержания параметров роста.

Для преодоления этих недостатков в рамках диссертации была разработана и изготовлена специализированная система управления кристаллизационными установками, которая используется как система автоматизации при проведении научных экспериментов при разработке новых кристаллических материалов и как система автоматизации промышленной технологической линии при серийном выращивании кристаллов для монофотонных сенсоров.

Второе направление повышения характеристик монофотонных сенсоров, развиваемое в диссертации, — совершенствование электронных трактов — направлено на преодоление таких недостатков, как:

• высокий уровень шумов измерительных трактов;

• низкое временное разрешение при регистрации фотонов в. координат-но-чувствительных системах;

• нестабильная работа трактов в расширенном диапазоне температур;

• изменение характеристик регистрирующих монофотонных детекторов на микроканальных пластинах при изменении температуры;

• воздействие внешнего питания; на работу электронных узлов при использовании в промышленных применениях в условиях сильных электромагнитных помех.

Для исключения этих недостатков в диссертации проведена разработка:

• многоканального программируемого высоковольтного источника питания, обеспечивающего возможность; программной оптимизации питания регистрирующего детектора на микроканальных пластинах и компенсацию температурного дрейфа параметров детектора и. их изменения при-старении;

• многоканального зарядочувствительного усилителя для: работы с регистрирующим детектором; Усилитель обладает высокой стабильностью параметров в широком диапазоне температур;

• тракта временных наносекундных измерений, синхронного с: коорди-натно-чувствительным трактом; многофункционального источника питания сенсора, обеспечивающего чистое питание электронных трактов и регулировку температурных режимов, встроенный контроль системы и фильтрацию внешних шумов в условиях повышенных электромагнитных помех.

Научная новизна работы

1. Обоснован выбор основных направлений улучшения характеристик УФ сенсора за счёт:

• целенаправленного синтеза новых фильтрующих кристаллических материалов;

• введения узла наносекундных измерений;

• разработки программно-управляемых электронных модулей сенсора.

2. Определены требования к новым оптическим фильтрующим кристаллическим материалам, обеспечивающим пропускание в УФ-С диапазоне на уровне 30.50 % при подавлении фонового излучения в Ю-15 раз.

3. Проведён анализ существующих систем управления установками для выращивания оптических фильтрующих кристаллических материалов, определены основные проблемы, препятствующие синтезу данных кристаллов.

4. Разработана концепция новой системы управления установками для выращивания кристаллов, обеспечивающей рост кристаллов с требующимися свойствами. Рассмотрены варианты схемотехнических решений, проведено их моделирование и оптимизация. Реализовано динамическое управление коэффициентами регулирования.

5. Исследованы пути устранения зависимости характеристик сенсора от температуры.

6. Разработана методика и управляющее программное обеспечение для улучшения временного разрешения до субнаносекундных значений за счёт совместной обработки информации от временного и координатного канала.

7. Найден способ увеличения более чем в 100 раз динамического диапазона фотоэлектронного умножителя за счёт стробирования фотокатода.

8. Определена необходимость создания программно-управляемого многоканального высоковольтного источника для фотоэлектронного умножителя.

9. Обоснована необходимость разработки модуля вторичного электропитания для обеспечения требуемых технических и эксплуатационных характеристик сенсора.

10. Создана концепция построения монофотонного сенсора ультрафиолетового-диапазона, способного вести регистрацию единичных фотонов со1 скоростью до 200 ООО соб./сек при уровне собственных шумов не более 80 соб./сек, обладающего временным разрешением на уровне 1 не, угловым разрешением 0,2 градуса при угле зрения 120 градусов и функционирующего в широком температурном диапазоне: от-55 до +60 °С.

11. На основе разработанной концепции был создан монофотонный сенсор, исследованы его характеристики, подтвердившие теоретические оценки.

Практическая значимость работы

Созданный сенсор лёг в основу успешно выполненных четырёх опытно-конструкторских разработок и одной научно-исследовательской работы:

1. Гос. контракт № ГК-14-14-03/2010-11 от 15.03.2010.

2. Гос. контракт № 02.523.12.3004 от 06.08.2007.

3. Гос. контракт № АВ/06/461/РГА/К от 10.11.2006.

Начиная с 2010 года ведётся серийный выпуск разработанного сенсора.

Достоверность результатов работы

Достоверность результатов работы подтверждается результатами экспериментальных лабораторных исследований, в ходе которых измерены основные параметры прибора и проведено их сравнение с расчётными, а также результатами полевых испытаний как на стационарных объектах, так и на борту воздушного носителя.

В частности, в 2005 году на электроподстанции Чагино в Москве за несколько недель до аварии, приведшей к серьёзным перебоям в электроснабжении Москвы и области, при помощи данного-сенсора было зарегистрировано мощное ультрафиолетовое излучение, свидетельствующее об износе электрооборудования.

Положения, выносимые на защиту

1. Концепция построения и разработка монофотонного сенсора ультрафиолетового диапазона с улучшенными характеристиками и функционирующего в диапазоне температур от -55 до +60 °С.

2. Способ повышения статических характеристик координатно-чувствительного детектора: о соотношения сигнал/шум — в 100 раз; о разрешения — в 10 раз.

3. Способ увеличения динамического диапазона координатно-чувствительного детектора на два порядка.

4. Способ повышения временного разрешения монофотонного сенсора на два порядка.

5. Аппаратные и программные средства для модулей сенсора.

6. Концепция построения и разработка высокоточной и высоконадёжной системы управления кристаллизационной установкой.

Апробация работы

Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на:

• Втором симпозиуме «Современная химическая физика», Туапсе, сентябрь — октябрь 2010 г.;

• Восьмой Всероссийской Открытой ежегодной конференции «Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса» Москва, ИКИ РАН, 15 — 19 ноября 2010 г.;

• Семинарах Института проблем механики им. А. Ю. Ишлинского РАН;

• Семинарах Института кристаллографии им. А. В. Шубникова РАН;

• Семинарах Научно-технического центра «Реагент».

Личный вклад автора

Все работы, в которых опубликованы результаты диссертации, написаны в соавторстве с коллегами. Все оригинальные результаты, приведённые в диссертации и вынесенные на защиту, получены лично автором либо при его определяющем участии.

Лично автором созданы электронные узлы для монофотонного сенсора:

• многоканальный программируемый высоковольтный источник питания;

• узел стартового канала и зарядочувствительный усилитель для работы с координатно-чувствительным детектором;

• многофункциональный модуль электропитания для бортового варианта прибора пеленгации УФ излучения.

Также автором была разработана и успешно внедрена в процесс производства кристаллов специализированная система управления кристаллизационной установкой, на которую получен патент.

Структура диссертации

Диссертация состоит из введения, четырёх глав, заключения, списка литературы. Она изложена на 147 страницах и содержит 18 таблиц, 99 рисунков и список литературы из 40 наименований.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В заключение сформулируем основные результаты диссертационной рагы.

Создан многоканальный программируемый высоковольтный'источник питания, функционирующий в широком диапазоне температур, для работы с координатно-чувствительным детектором на основе фотоэлектронного умножителя. Работа включала в себя как создание аппаратной части, так и разработку низкоуровневого программного обеспечения для платы и управляющего программного обеспечения под ЭВМ. Использование данного источника позволило существенно оптимизировать работу координатно-чувствительного детектора, обеспечить стабильность его параметров и повысить время жизни.

Создан узел стартового канала и узел стробирования фотокатода. Последний обеспечивает сохранность чувствительного элемента и позволяет функционировать прибору в условиях чрезмерной световой интенсивности. Создан зарядочувствительный усилитель, функционирующий в широком диапазоне температур, для работы с координатно-чувствительным детектором, отличающийся высокой стабильностью параметров, малыми габаритами и низким энергопотреблением.

Создан многофункциональный модуль электропитания для бортового варианта УФ сенсора. Созданный модуль, имея обширные возможности диагностики и регулирования основных параметров, обеспечивает надёжное функционирование всех электронных узлов сенсора.

Разработана и внедрена в процесс производства кристаллов специализированная система управления кристаллизационной установкой. Данная система обладает высокой надёжностью, что подтверждается опытом непрерывной эксплуатации четырёх систем в течение одного года и более. С использованием этой системы была выращена серия совершенных кристаллов для оптических фильтров УФ сенсора, а на саму систему управления был получен патент на полезную модель (заявка № 2010138473/05 (054991)).

В результате использования данных разработок был создан время-координатно-чувствительный УФ сенсор, обладающий усовершенствованными техническими характеристиками (Табл. 18), а именно улучшены по сравнению с промышленными аналогами:

• чувствительность — в 10 раз;

• временное разрешение — в 100 раз;

• число регистрируемых событий увеличено до 200 000;

• поле зрения увеличено до 120 градусов.

Благодаря высоким техническим характеристикам разработанного сенсора имеется возможность его использования в таких приложениях, как защита воздушных судов от поражения ракетами, дистанционная диагностика высоковольтной изоляции, мониторинг состояния озона в стратосфере, изучение стратосферных электрических явлений, мониторинг лесных пожаров, трёхмерная локация, и в других промышленных, научных и специальных применениях.

Характеристика Значение

Поле зрения, град 120

Точность оценки координат точки, град. 0,2

Временное разрешение, не 1

Спектральный диапазон, нм 250.280

Интенсивность шумовых фотонов со всей поверхности фотокатода, 1/с < 100

Энергопотребление, Вт 30

Соответствие требованиям ГОСТ для применения на борту авиационного судна Полное

Рабочая температура, °С -55.+60

Ресурс работы, ч 3000

Внешний вид созданного УФ сенсора показан на Рис. 99.

Рис. 99. Внешний вид созданного УФ сенсора.

1. Steven Andrew Cummer. Lightning and ionospheric remote sensing using vlf/elf radio atmospherics: A dissertation for a degree of doctor of;philosophy. — Stanford, 1997.

2. Ильин А. А., Шилов И. Б., Родионов А. И., Непобедимый С. П., Родионов И. Д. Система технического активного ЗР-зрения (МДМ-локатор). — Препринт № 62. М. : ИПМ им. Келдыша РАН, 2001. — 24 с.

3. J. Ci. Timothy. The development and test of multi-anode microchannel .array detector systems. — Stanford : Center for Space Science and Astrophysics. Stanford: University, 1986.

4. Измерения с аппарата TOMS; — URL: http://suzaku.eorc.iaxa.ip/GLI2/adeos/Proiect/Toms.html

5. Измерения с аппарата TOMS. — URL:http://earth.esa.intyobiect/index.cfm?fobiectid=4004 ' 9. Измерения с аппарата TOMS. — URL:f http://aura.gsfc.nasa.gov/instruments/omi.htrnl

6. Данные с аппарата TOMS. — URL: http://toms.gsfc.nasa.gov/aerosols/indonesia/indo98059.gif

7. Воронцов Д. В., Ильин А. А., Калинин А. П., Коровин Н. А., Орлов А. Г., Родионов А. И., Родионов И. Д., Федунин Е. Ю. Новый класс систем тех, нического активного ЗО-зрения — МДМ-локаторы // Датчики и системы,3.-2004.— С. 56 —61.

8. Белов А. А. Калинин А. П., Крысюк И. В., Порохов М. А., Родионов А. И., Родионов И. Д., Русанов В. В. Монофотонный сенсор ультрафиолетового диапазона «Скорпион» // Датчики и системы, № 1. — 2010. — С. 47 — 50.

9. Белов А. А., Егоров В. В., Калинин А. П., Крысюк И. В., Осипов А. Ф., Родионов А. И., Родионов И. Д., Степанов С. Н. Универсальный монофотонный сенсор ультрафиолетового диапазона. — Препринт № 935. М.: ИПМех им. А. Ю. Ишлинского РАН, 2010. — 48 с.

10. Контрольно-измерительные приборы. — URL: http ://www.kipinfo.ru/info/stati/?id= 179

11. Предприятие «Элемер». — URL: http://www.elemer.ru/catalogl 417.html

12. ГОСТ 6651 — 94. Термопреобразователи сопротивления. Общие технические требования и методы испытаний. — М.: Изд-во стандартов, 2002.

13. Сайт для радиолюбителей. — URL: http://www.rlda.ru/TechnicalNotes.htmi 19. Сайт о средствах автоматизации. — URL: http://method.contravt.ru/?id=391420; Предприятие «Овен». — URL: http://wvyw.owen.ru/catalog/86945332

14. Контрольно-измерительные приборы. — URL: http:// www.pribor-opt.ru/kipia/remilcont 1 .html

15. Предприятие «Eurotherm». — URL: http://www.eurotherm.com/products/controllers/single-loop/2400/2404/?tab=0&uniqueid=tabs esctl 1462315 CurrentTab

16. Линейные оптроны производства;фирмы Glare. — URL: http://www.clare.com/home/pdfs.nsiywww/AN- 107.pdf/$file/AN-l 07.pdf

17. Изолирующие усилители.— URL: http://www.elcp.ru/index.php?state=izd&iizd=elcomp&i num=199905&i art— 05

18. Изолирующие трансформаторы фирмы Bourns. — URL: http://bourns.eom/data/global/pdfs/SMLP5001.pdf

19. Высоковольтные оптроны фирмы Optek. — URL:http://www.optekinc.com/datasheets/OPI125-126-127-128.PDF

20. Преобразование частоты в напряжение. — URL: http://www.compitech.ru/htmr.cgi/arhiv/0007/stat 38.htm

21. Токовые операционные усилители. — URL: http://www.elart.narod.ru/articles/article7/article7.htm

22. Быстродействующий операционный усилитель. — URL: http://www.analog.com/static/imported-files/data sheets/AD8009.pdf

23. Цифроаналоговый преобразователь с последовательным интерфейсом. — URL: http://www.analog.com/static/importedfiles/data sheets/AD5620 5640 5660.pdf

24. Сверхбыстродействующий компаратор. — URL: http://www.analog.com/static/imported-files/data sheets/ADCMP572 573.pdf

25. Дифференциальные интерфейсы. — URL: http://focus.tii.co.ip/ip/lit/an/sllal20/sllal20.pdf

26. ГОСТ 19705 — 89. Системы электроснабжения самолётов и вертолётов. — М.: Изд-во стандартов, 1989.

27. Принципы построения и работы схем умножения напряжения. — URL: www.cqham.ru/uul .htm

28. Измерение температуры с помощью термопреобразователей сопротивления.

29. URL: http://eewiki.ru/wiki/№MepeHHeTeMnepaTypbicnoMoiHbio ТСП

30. Walt Rester, James Bryant. Grounding in Mixed Signal Systems // Electronic Design Analog Applications. — 1997. — p. 29.

31. ПИД-регулятор. — URL: http://ш.wikipedia.org/wiki/ГШД-peryлятop

32. Дерек Чеймберс, Клифф Скапеллати. Выбор высоковольтного источника питания. Основные технические характеристики // Компоненты и технологии, № 6. — 2005. — 4 с.