Спектротрон

 

ОП HCA Н И 6

ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

Союз Советскиа

Социалистическив

Республик

Зависимое от авт. свидетельства ¹

Заявлено 21.1Х.1964 (¹ 922382/26-24) К.1, 42п1, 14 с присоединением заявки №

Приоритет

МПК G 06f

УДК 681.142:531.715.1 (088.8) Комитет по делам изобретений и открытий при Совете Министров

СССР

Опубликовано 17.Х1.1966. Бюллетень № 23

СП ЕКТРОТРОН

Известны спектротроны, содержащие четырехполюсник с гребенчатой амплитудно-частотной характеристикой, охваченные петлей обратной связи.

Предложенный спектротрон отличается тем, что в нем в качестве четырехполюсника использован интерферометр Фабри — Перо, облучаемый от источника когерентных монохроматических колебаний света с линейчатым спектром и связанный оптически с фотосопротивлением, которое включено последовательно с постоянным сопротивлением нагрузки, а цепь обратной связи образуется соединением его с электродами интерферометра.

Зто увеличивает число устойчивых состояний равновесия при работе прибора в оптической области частот.

На фиг. 1 представлен предлагаемый спектротрон; на фиг. 2 — немонотонная амплитудно-частотная порядковая характеристика интерферомстра Фабри — Перо и характеристика

его настройки, как функции управляющего напряжения.

Спектротрон светового диапазона состоит из интерферометра — пластинки Фабри — Перо, фотосо противления и пленочного сопротивления нагрузки.

Интерферометр Фабрп — Перо представляет круглую плоскопараллельную пластинку 1 из оптически прозрачного диэлектрического материала с нанесенными на нее тонкими многослойными диэлектрическими покрытиями 2 и нанесенными снаружи слоями 8 металла, полупрозрачными вследствие своей малой тол5 Шины.

Оптически полупрозрачные металлические слои 8 являются электродами, между которыми в диэлектрической среде пластинки образуется однородное электрическое поле. Токо10 съемниками топких металлических слоев являются металлические кольцевые оптически непрозрачные электроды: наружный 4 и внутренний 5. Внутренний электрод, кроме того, служит токосъемом д7я одного пз концов фо15 тосопротивления б, выполненного в форме тонкого диска с отверстием 7 в центре. Централь ой части фотосопротивленпя б (см. фиг. 1) касается кольцевой электрод 8, являющийся вторым отводом фотосопротивления. Отвер20 стие в электроде 8 совпадает с отверстнем 7 в фотосопроти влепи и и пропускает на выход прибора световой поток, прошедший при определенных условиях через пластинку Фабрив

Перо.

25 Пленочное сопротивление 9 нагрузки представляет собой тонкое покрытие, нанесенное на боковую грань круглой диэлектрической пластины, причем выводами этого сопротивления служат те же электроды 4 и 5. Для пре30 дохранения пленки сопротивления 9 и наруж178166 ной части фотосопротивления б нанесено изолирующее покрытие 10. Вся конструкция может быть заключена в вакуумный баллон, например стеклянный, прозрачный для светового потока.

Немонотонная амплитудно-частотно-порядковая характеристика 11 интерферометра

Фабри — Перо (см. фиг. 2), выполняющего функции перестраиваемого колебательного контура, и характеристика 12, выражающая зависимость настройки иптерферометра в функции от управляющего напряжения, действующего между электродами 4 и 5, а также пересечения графиков, обозначенные точками, отображают области (вблизи точек) устойчивого равновесия фотоспектротрона.

Упрощенная блок-схема радиочасготного спектротрона содержит резонансный контур, собственная частота которого автоматически перестраивается с помощью управления в некотором диапазоне, и связанный с ними детектор -с интегрирующим звеном. Причем напряжение, образующееся на выходе интегрирующего звена, подводится к управителю резонансного контура, влияя на настройку последнего.

Если к колебательному контуру извне приложить переменное напряжение, частота которого лежит в диапазоне перестройки контура, то контур автоматически настраивается приблизительно на эту частоту подводимого сигнала. При этом спектротрон находится в устойчивом состоянии равновесия.

Если к колебательному контуру приложить несколько сигналов с разными частотами (линейчатый спектр), разность между которыми для любых двух соседних линий спектра превышает полосу пропускапия резонансного контура, то спектротрон может быть настроен па любую из этих частот, и состояние его при этом всякий раз будет устойчивым. Поэтому число устойчивых состояний радиочастотного спектротрона равно числу линий спектра в составе подаваемого на его контур сигнала, вырабатываемого сторонним источником спектра, общим для совокупности спектротронов, используемых в системе (например, в запоминающем устройстве или накопптельчом счетчике импульсов).

Предлагаемое устройство содержит все основные элементы радиочастотного спектротрона. Функции колебательного контура выполняет в нем интерферометр Фабри — Перо, вместо индикаторного элемента на детекторе использовано фоточувствительное сопротивление 6; интегрирующее звено представлено комбинацией из фотосопротивления б, сопротив. ления 9 нагрузки и емкости конденсатора, ооразованного полупрозрачными металлическими пластинами 8 (слоями интерферометра).

Причем «интерференционный колебательный контур» перестраивается в спектротрон светового диапазона изменением показателя преломления диэлектрической среды пластинки под действием управляющего электрического

5 о

15 го

65 поля. Последнее образуется вследствие падения напряжения »а сопротивлении 9 нагрузки, находящемся в последовательной цепи с фотосопротивлением б и источником постоянного напряжения Up питания спектротрона светового диапазона.

Рабочая поверхность спектротрона освещается нормально падающим параллельным потоком когерентпых монохром атических излучений, создаваемых сторонним источником и представляющих линейчатьш спектр в оптической области частот. Входной световой поток указан на фиг. стрелками.

Принципиальным отличием спектротрона светового диапазона от радиочастотного, как многоустойчивого элемента, является то, что число устойчивых состояний равновесия у него в общем случае значительно больше числа линий спектра (спектральных составляющих), воздействующего на его выход светового потока.

Предлагаемый спектротрон от радиочастотного отличается так же тем, что в нем использован новый способ селекции состояний (определенного условного номера состояния устойчивого рашювесия, в котором находится спектротроц сьетового диапазона к какомулибо моменту времени), что существенно упрощает систему индикации состояний спектротрона, например, при применении цифровых табло в цифровых вычислительных машинах с десятичной системой счисления.

Достоинством спектротрона светового диапазона являются его малые габаритные размеры и вес, что позволяет объединять элементы в матрицы (пластины из набора однотипных фотоспектротропов), рабочая поверхность которых освещается одним общим источником спектра. Запоминающие устройства на основе таких матриц весьма компактны.

Использование оптического спектра частот резко повышает быстродействие прибора, практически оцениваемое величиной 10> гц что способствует увеличению технической эффективности цифровых вычислительных машин.

Простота конструкции, механическая жесткость и малые размеры устройства определяют надежность и большой срок службы предлагаемого прибора.

В основу работы устройства положена система автоматического регулирования, одним из основных элементов которой является оптический «иптерференционный колебательный контур», представленный интерферометром

Фабри — Перо, обладающий способностью перестраиваться в пределах некоторого диапазона частот благодаря воздействию электрического поля на показатель преломления пластинки 1, выполнсшюй из пьезосегпетооптичсского материала, например из мопокристалла кварца, титапата бария и т. д. (всего 20 классов кристаллов) .

Электрическое поле в пластинке 1 создается приложением напряжения к проводящим

178166 где

1 =- 1, 2, 3, (2) Д =—

Р (7) оптически полупрозра рным металлическим Iioкрытиям 8 черсз кольцевые оптически непрозрачные контакты 4 и 5, причем это напряжение падает в сопротивлении нагрузки 9. Величина этого напря кения, а следовательно, и настройка интсрферометра определяется интегральной освещенностью фотосопротивления б, поскольку сопрогивление нагрузки 9 и фотосопротивлепие б подключены последовательно к источнику постоянного напряжения.

Напряжение между покрытиями 8, а следовательно, и величина напряженности электрического поля в пластинке, тем больше, чем больше интегральная освещенность фотосопротивлепия б, то есть чем меньше величина фотосопротивлепия. Изменение показателя преломле!шя пьсзосегнстоэлектрнческих материалов при изменении напряженности электрического поля, воздействующего па нпх, известно и широко используется в электрооптических модуляторах света.

При приложении h интерферометру управляющего напряжения он используется по новому назначению как перестраиваемый в достаточно широких пределах «иптерференционный колебательный I(oïòóð» с очень высокой эквивалентной добро!постыл, практически достигающей величины до 8 миллионов.

Рассмотрим сначала работу спектротроп", светового диапазона при облучении его световым потоко;I, представляющим когерентное монохроматпчсское колебание одной частоты, характеризуемой волновым числом ъ, связанны;! с дл!и!ой волны выражением

1 ч:

«Интерференцпонный колебательный контур» считается настроенным «в резо!(анс», т. с. 00:!адает максимально!! прозрач1!Остью для падающего и проходящего через него светового потока, при условии выполнения целочисленности порядка Р интерференции в слое пластинки интерфсрометра, т. е.

Р=2: n d=m, где и — показатель преломления пластинки 1, d — толщ«ша пластинки 1.

m=1,2,3,... целое число;

Порядок Р интерференции указывает, какое число длин волн i. укладызается в промежутке между отража!Ощпми покрытиями 2, т. е. в толщине d пластинки.

Таким образом, яркость светового потока на выходе интерферометра максимальна при выполнении условия (2) и минимальна при соблюдении условия (3)

Р=2,Ы= " + (3)

Следовательно, интерференционный колебательный контур может быть настроен в резонанс на какую-либо одну частоту несколькими способами, то есть при раап!ях порядках интерференции Р, для которых соблюдается условие целочисленности (2). Это отличает интерференпиошп.ш колебательный контур от

5 радиочастотного и открывает дополнительные возможности для дальнейшего резкого увеличения числа устой швых состояшш равновесия у спектротрона светового диапазона по сравнению с радиочастотным спектротроном, 10 если в них использовано одинаковое число лишш спектра.

Число порядков интерференции. лля которых выполняется условие (2), определяется возможностями изменения показателя преломле15 ния г! диэлектрической среды пластинки в соответствии с имеющейся зависимостью между велич!шой показателя преломления и напряженностью электрического поля Е в диэлектрике

rl. = 1/ E(o) — () . Е (4) где Е (о) — диэлектрическая прошщаемость материала для рассматриваемой частоты спектра при напряжен25 ности ЗлектричесI(ОГО поля, равной нулю, Е=О. а — модуль коэффициента пропорциональности, указывающего па cl10собность данного диэлектрика из30 менять сьою диэлектричсску«о прошщаемость под действием электрического поля и имеющего размерность в "- с.!1- .

Обозначив число порядков Р интерференции, удовлетворгиощпх условию (2), через для каких-то конкретных условий работы спектротропа светового диапазона (материала пласти:и;и, величины напряжения U источника питания, чувствительности фотосопротивле40;!IIII б и т д ) будем п !еть «Iабор

Р„Р, Р..., (5), При этом спектротрон светового диапазона обладает L устойчивыми состояниями равновесия при облучении его когерентным световым потоком с одной частотой (одной линией

50 спектра).

Если число L много меньше велич!гпы старшсго порядка интерференции. т. е.

L(Р«=P+1:P,,+2=...=Рь+L — I (6), то спектральное расстояние Ду между любымп двумя сх!е>к«!ьв!и порядками (например, между Р,, и Р„., I) остается приблизительно постоянным, незн",÷èòåëüíî увеличиваясь при

60 пош!женин величины порядка интерференции.

Общее выражение для спектрального расстояния Ду дается зависимостью

178166

Il cos 2;.с (+ (/г — 1) A>„. + (t — 1) «о.) t к„Яф

1 ) )2 f1 (ф (Ц) )212

,-f-(k — 1) +(— 1) J f к...,. ф(ЯФ) =

ill = l (8) 10

50 (10) U =. ) d (l „„,>) dS (14), 55

Если в источнике спектра облучения спектротрона светового диапазона содержится

М спектральных линий, имеющих эквндистантное распределение со спектральным расстоянием между двумя соседними линиями 6v, равным где Av„„„— минимальное спектральное рас стояние между порядками интерференции из набора (5), в частности, между порядками Р, и Р2.

v — наименьшее значение волнового числа, соответствующего наиболее длинной волне линий спектра, то спектротрон светового диапазона можег быть настроен на любую из М частот спектра, характеризусмых голновыми числамп > 2> З .,, М (9) где г = 1,2,3... М,, в пределах каждого порядка интерференции из набора (5).

Общее число настроек интерференционного колебательного контура в резонанс при этом определяется произведением чисел L u M

Амплитудно-частотно-порядкогая характеристика «контура» (кривая 11 фпг. 2) в »ражает зависимость и выходного светового потока от интерферометра или, что то же, завпсимость величш ь> управляющего настройкой «контура» напряжения U от текущего значения волнового числа и псмсра порядка интерференции.

Число максимумов у этой характеристики также равно произведению чисел L и М. Каждому из этих максимумов соответствует определенное значение показателя преломления п, диэлектрической среды пластинки 1 (индексы k u i даны в общем виде), так что для различных порядков интерференции и различных частот условия настроек «ИКК» в резонанс можно записать в виде

1 11 — 2 12 ° ° — — ; 1; — ° ° . — МЙ1М вЂ” 1 2,>

>> 1 21 — >2 422 — ° ° ° — i% i — ° ° ° — >МП2 М вЂ” d 2, 2у йд: >апй,:...: » и,> ... — >мп, м = Р, 2д

li2l.l —: )2дг2 — ° ° . — ч. >г), —... — )мпум — Рг >2„ причем имеет место выполненно перавепств 1(>2(° ° ° (>>(° ° ° (м

")Р-.) .),) )Р

Теоретическое рассмотрение показывает, что текущее значение интенсивности выходного светового потока «контура» i. ô в зависимости от текущего значения управляющего напряжения 5ф определяется выражением где S4, — помер максимума амплитудно-частотно-порядковой характеристики, или номер состояния устойчивого равновесия спектротрона светового диапазона, определяемый выражением

5ф — (/г — 1) М+ 1 (12), I, — интенсивность г-ой линии спектра на выходе «контура», vi — волновое число, соответствующее линии спектра с наиболее длинной волной, Й и i — соответственно индексы номера порядка интерференции и волнового числа линий спектра, hv — спектральное расстояние между порядком Р > интерференции и порядком Р„ интерференции, М вЂ” спектр .ëüíàÿ ширина между двумя соседними линиями экгидистантного спектра облучения спектротрона светового диапазона, с — скорость света, г — текущее значение времени, Q ; — добротность «контура» для i-й липни спектра при k-ом порядке интерференции, г„5ф — коэффициент передачи «контура» для 5ф состояния спектротрона светового диапазона, Ф (Ь) — — некоторая функция управляющего напряжения U.

Ф(У) = i„„,+O.U где v„,„— некоторое начальное значение частоты (в волновых числах) настройки «контура», меньше vi

b — постоянный коэффициент, имеющий размерность см. в, U — управляющее напряжение, прикладываемое к электродам 4 и 5 интерферометра.

Выражение (11) таким образом, является аналитической функцией кривой 11 (см. фиг. 2) .

Рассматривая описываемый спектротрон светового диапазона как замкнутую системy автоматического регулирования, следует отметить, что величина управляющего напряжения U определяется величиной фотосопротивления б, которая, в свою очередь, зависит от интенсивности выходного светового потока г„„..ф, т. е. (si>) где д (г „„ф) — некоторая функция от интенсив.юсгп выходного светового потока, 178166

dS — элемент площади рабочей части фотослоя.

Совместное решение уравнений (11) и (14) приводит к выражению вида и= ) а111и)УЯ (15), (ър) которое, свидетельствуя о замкнутости петли обратной связи системы автоматического регулирования, каковой является спектротрон светового диапазона, позволяет найти области устойчивого равновесия прибора на основании известных критериев устойчивости (например, с помощью критерия Ляпунова) с соответствующими этим устойчивым состояниям равно- 15 весия управляющими напряжениями У „что можно записать в форме

Ull (Ul2 (° ° ° (Ul (° ° (. (У1м( (и (U---((U.. ((-U- (- 20 (UP (Ull, < ° ° (U1. (° ° ° (° ° (UlÌ (Ul1 (Ul 2 (° ° ° (Ul l (° ° ° (° ° ° (Ul. M (16).

Пересечение прямой обратной связи (11) с 25 амплитудно-частотно-порядковой характеристикой 11 гребенчатого типа, определяет точки равновесия прибора, при этом равновесия устойчивы в случаях пересечения ниспадающих частей гребенчатой характеристики (на фиг. 2 указано точками).

Таким образом, число устойчивых состояний спектротрона светового диапазона N равно произведению числа используемых порядков иитерфере1щии L на число линий спектра 35

М в составе светового потока облучения, т. е. (17), N=L М

Наибольшее число устойчивых равновесия спектротроиа светового находят из выражения

") U0

;т„„,.г,,ч е (0) 2d " (— — з;Т,у д, о

СОСТОЯНИЙ 40 диапазона

1Ч ) 45 (18), где ӄ— наибольшее число состояний устойчивого равновесия, (u) — модуль коэффициента изменения по- 50 казателя преломления диэлектрической среды пластички от действия электрического поля с напряженностью Е, в1о) — начальное значение диэлектрической проницаемости материала пластинки на опти- 55 ческих частотах при Е = О, U< — постоянное напряжение источника питания, д — толщина пластинки 1 в сл1, )1 — постоянный коэффициент, зависящий 60 от чувствительности фотосопротивлепия б, Т вЂ” значение максимальной прозрачности «контура», соответствующее настройке

«контура» в резонанс, и зависящее от качества выполнения интерферометра Ф абри — Перо, 65

1о — интенсивность светового потока на входе прибора, Q — добротность «интерфереициониого колебания контура», д — коэффициент, определяемый отношением величин выходных интенсивностей светового потока от «контура» соответственно при настройке последнего «в резонанс» и при полной его расстройке (что дается выражениями (2) и (3) ); графически это отношение максимального значения ордииаты кривой 11 к мини»aëüíoìó ее значению.

Выражение (18) показывает зависимость наибольшей вели пшы устойчивых состояний спектротроиа светового диапазона от свойств используемых материалов, технолопш изготовления прибора, силы источника спектра облучения, напряжения питающего источника и габаритных размеров устойчива.

Подсчитано, что спектротрон светового диапазона может обладать несколькими тысячами устойчивых состояний, а число устойчивых состояний радиочастотных спектротроиов, D лучшем случае, достигает нескольких десятков.

Запуск радиочастотного спектротропа светового диапазона. т. с. перевод из од 1ого устойчивого состояния в другое, можно осуществить различными способами. Однако наиболее перспективен и практичен запуск путем воздействия иа электрод 5 коротким строб-импульсом (наносекундной длительности) с соответствешю подобранной площадью (энергией). Причем реверс запуска легко осуществить переменой полярности у строб-импульса, Применение коротких строб-импульсов для запуска резко увеличивает быстродействие прибора, которое практически определяется постоянной времени релаксации фотосопротивления.

Считывание информации, т. е. определение номера состояния, в котором находится спектротрон светового диапазона, отличается от подобной операции в радиочастотном спектротроне. Как в первом, так и во втором имеются выходы статических и динамических признаков состояния, то есть напряжения и частоты. Для радиочастотного спектротрона число статических и динамических признаков одинаково и равно числу устойчивых состояний прибора (то есть числу линий спектра в составе входного сигнала). Для спектротрона светового диапазона число динамических признаков равно числу линий спектра входного светового потока и в L раз меньше числа устойчивых состояний прибора; число статических признаков равно числу состояний прибора. Поэтому однозначно состояние спектротрона светового диапазона может быть определено только при использовании статических признаков (так как L — различным состояниям спектротроиа светового диапазона отвечает один и тот же динамический признак).

Важно отметить, что пользование одновременно как статическими, так и динамическими

178166

5

15 (19), 20

55 признаками для определения номера его состояния практически ничем не уступаеч по надежности методу определения состояния тольКо по динамическим признакам (как в радиочастотном спектротроне), поскольку по статическим признакам только определяется номер порядка интерференции lг, а не само состояние S,I,. Это исключает появление сбоев при амплитудной селекции номера а за счет некоторого дрейфа значений управляющих напряжений U при действии на фотоспектротрон различных дестабилизирующих факторов (изменение температуры, напряжения источника питания, старение материалов пластинки 1, фотосопротивления б н сопротивления нагрузки 9 и т. д.). Указанные нежелательные явления могли бы привести к сбоям при селекции непосредственно номера состояния S,r, по статическим признакам, так как напряжения U„ и U<>;,0 отличаются на довольно малую величину, сравнимую с «дрейфовым разбросом» управляющего напряжения. B то же время, напря>кения Ь,.„н Ur -rrr отличаются на величину, много больше указанного «дрейфового разброса», поэтому селекция номера г отличается весьма высокой надежностью.

Окончательное определение состояния сгектротрона светового диапазона достигается на основании выражения (12), при этом «сетка частот» — динамических признаков выполняет как бы роль нопиусной шкалы. -!асть выходного светового потока от «контура» проходит через отверстия 7 в фотосопротивлении б и электроде 8, являясь монохроматизированной (то есть содержит практически только одну из М линий спектра), и используется для селекции динамического признака.

Источник питания, генератор линейчатого спектра, запускающие и селектирующие цепи могут быть общими для нескольких однотипных спектротронов светового диапазона, поэтому конструктивно не входят в него (на фиг, 1 не указаны).

Рассчитанный образец фотоспекгротрона имел форму диска диаметром 5 мм и толщиной 2 мм. При потреблении энергии около

1 мвт он допускает надежную работу при стабильности источника питания порядка 0,5",о по напряжению, термостабилизации не хуже

+0,06 и вакуумном исполнении (в вакуумном баллоне) при 100 устойчивых состояниях равновесия.

Вес спектротропа светового диапазона составляет 0,1 г. При матричном построении (например, в запоминающих устройствах) на площади в 1 дм2 при сверхплотной упаковке размещается 500 спектротронов светового диапазона.

Работа спектротрона светового диапазона со 100 устойчивыми состояниями равновесия наиболее приемлема при использовании этих приборов B 1сc51TH lllbrx цифровых вычислительных машинах. В этом режиме работы большим достоинством спектротрона светового диапазона является простота системы цифровой индикации номера состояния прибора, например, »а световых табло с цифровой системой отсчета (в виде десятичного двухразрядного числа).

ДейcTBèòeëüío, если обозначить через Х и

У числа соответствующих разрядов двухразрядного десятичного числа, где Х вЂ” число единиц первого (младшего) разряда, а У— число единиц старшего pàçðÿ,rà, то нри этом

Х= — 1

У=k — 1 что находится в полном согласии с выраже нием (12) .

Таким образом, выход динамических признаков управляет индикатором единиц младшего разряда, а выход статических признаков — индикатором единиц старшего разряда т. е. цепи индикации не требуют сло>кных преобразователей, так как они уже разделены. Число линий спектра при этом равно

10(М=10). Для рассчитанного фотоспектротрона со 100 устойчивыми состояниями равновесия число используемых порядков интерфсрсиции L так>ке равно 10. Порядок интерферснцпи Р, в слое при этом составляет приблизительно величину порядка 4000. Средняя длина волны линий спектра составляет в расо считанном варианте около 5000А. 1-!апря>кенис источника питания лежит для различных материалов пластинки 1 (например, кварца) в пределах 30 †1 в. Величина сопротивления нагрузки 9 — около 1,0 — 2,0 мгом.

Предмет изобретения

Спектротрон, содержащий четырехполюсник с гребенчатой амплитудно-частотной характеристикой, охваченной петлей обратной связи, отличающийся тем, что, с целью увеличения числа его устойчивых состояний равновесия при работе прибора в оптической области частот, в пем в качестве четырехполюсника используется интерферометр Фабри — Перо, оолучаемый от источника когерентных монохроматических колебаний света с линсйчатым спектром и связанный оптически с фотосопротивлением, которое включено последовательно с постоянным сопротивлением нагрузки, а цепь обратной связи образуется соединением его с электродами интерферометра.

178166

Puz 1

r (g+ ), I 4+ 1)) (а+

4i 4.(s x) Редактор P. А. Киселева

Тскрсд Л. Ьриккер

Заказ 2519/19 Тираж 535 Подписное

ЦНИИПИ Комитета по делам изобретений и открытий при Советс Министров СССР

Москва, Центр, пр. Серова, д. 4

Типография, пр. Сапунова. 2

Zv, 1 =1

Корректоры: Г. E. Onapuua н Ю. М. Федулова