Электронно-оптический излучатель

 

Использование: твердотельные спектральные импульсные источники излучения. Сущность изобретения: электронно-оптический излучатель включает источник облучения и излучающий элемент, выполненный в виде световода из кварца с содержанием посторонних примесей не более 1 · 10^-5 мас.%. Световод выполнен в виде спирали, форму и длину которой выбирают в зависимости от назначения излучателя. 3 з. п. ф-лы, 3 ил.

Изобретение относится к твердотельным спектральным импульсным источникам некогерентного излучения, а именно к малоинерционным катодолюминесцентным электронно-оптическим излучателям.

Известен электронно-оптический излучатель на основе щелочногалоидных кристаллов (ЩГК), например иодида калия [1] При возбуждении этого кристалла сильноточным электронным пучком в специальной импульсной лампе, включающий наносекундный ускоритель и твердотельный излучатель из кристаллов KJ, получены импульсы оптического излучения с длительностью 1 нс в спектральной области 300-800 нм.

Недостатком такого излучателя является деградация его свойств во время работы за счет радиационной неустойчивости ЩГК, в частности KJ. Кроме того, указанные кристаллы гигроскопичны, что также является их недостатком.

Известен катодолюминесцентный излучатель из окиси алюминия, облученный нейтронами с флюенсом 1˙ 10¹⁹ н/см² и прошедший последующую термическую обработку при температуре 600-800 К [2] Недостатком данного материала является нарушение непрерывности спектра излучения, обусловленное реабсорбцией излучения центрами окраски в кристаллах α-Al₂O₃, наведенных нейтронным облучением, а также недостаточная ширина спектра (300-900 нм) при возбуждении пучком и сравнительно большая инерционность вследствие наличия в импульсе излучения временных компонент с большими постоянными затухания: 65 и 94 нс; 40 и 60 нс, характерных для различных центров окраски.

Недостатком излучателя является также его недостаточные технические возможности, так как широкий спектр в УФ-области обрезается поглощением дырочных центров λ_m=180 нм и коллоидами алюминия. Сложна также и технология приготовления излучателя в связи с использованием нейтронного облучения.

Цель изобретения состоит в расширении технических возможностей излучателя и включает повышение интенсивности излучения, регулировку в широком интервале длительности импульсов, получении цуга и пикосекундных импульсов.

Поставленная цель достигается тем, что электронно-оптический излучатель на основе оксида металла, включающий источник облучения, выполнен из кварцевого световода, а содержание посторонних примесей не превышает 1˙ 10^-5 мас. Излучатель выполнен в форме спирали. Оптическое излучение, наводимое электронным пучком внутри световода, имеет непрерывный спектр от 190 до 1200 нм (фиг. 1) и соответствует длительности импульсов облучения. Энергия электронов в пучке (Е) должна соответствовать глубине их проникновения на всю толщину световода. Для световода диаметром d=100 мкм, энергия Е=200-250 кэВ; для световода d=50 мкм, Е=150 кэВ. Глубину проникновения электронов в вещество определяют по формуле x где Е энергия электронов; х глубина проникновения электронов; ρ плотность вещества.

Для увеличения интенсивности излучения длина световода в спирали выбирается из соотношения < τ_и где n=1,5 показатель преломления кварца, l длина световода, С=2,95 ˙10⁸ м/с скорость света в вакууме, τ_и длительность возбуждающего импульса.

Для регулировки длительности импульсов излучения длина световода выбирается из соотношения
≫ τ_и
Для получения цуга пикосекундных импульсов световод накручен на гибкий, поглощающий электроны стержень, который в свою очередь свернут в спираль. Длина спирали определяется как
≫ τ_и
Цель изобретения достигается благодаря внесению новых признаков:
излучатель выполнен из кварцевого световода,
содержание посторонних примесей в кварце не превышает 1˙ 10^-5 мас.

выполнен в виде спирали,
длина спирали устанавливается исходя из соотношений:
< τ_и для увеличения интенсивности излучения,
≫ τ_и для регулировки длительности импульса и получения цуга импульсов.

излучатель из кварцевого световода намотан на гибкий, поглощающий электроны жгут, который свернут в спираль.

Устройство иллюстрируется на фиг. 1-3.

Граничные значения концентрации посторонних примесей в кварцевых световодах определяются коэффициентом ослабления проходящего света. Концентрация металлических примесей в световодах промышленного производства составляет ≈10^-7-10^-8 мас. Наибольшее влияние оказывает на ослабление светового пучка (960 нм) примесь ОН. Обычно ее концентрация ≈10^-6 мас. Коэффициент ослабления при этом 2,1 дБ/км. Максимальная длина световода 40 м, что соответствует ослаблению в 0,08 дБ. Световод длиной 40 м будет сохранять работоспособность при коэффициенте ослабления, не превышающем 1,5 дБ. При концентрации ОН 1 ˙10^-5 мас. коэффициент ослабления согласно соответствует 0,8 дБ, что удовлетворяет требования для реализации предлагаемого технического решения.

Кроме того, электронное облучение с параметрами 250 кэВ; 0,5 кА/см² в кварцевом световоде содержит посторонних примесей, включая ОН, ≈ 1 ˙10^-5 мас. наводит широкополосное поглощение, соответствующее ослаблению 1,5 дБ на 40 м. Следует использовать кварцевые световоды, в которых концентрация посторонних примесей <10<SUP>-52 длиной 40 м до (1,3) и соответственно после (2,4) электронного облучения показан на фиг. 2.

Устройство состоит из вакуумной камеры 1, в которой находится спираль из кварцевого световода 2, ирисовая диафрагма для регулировки диаметра электронного пучка 3, и миниатюрного ускорителя 4 электронов типа Сэмитрон.

Длина световода выбрана из соотношений:
< τ_и для увеличения интенсивности излучения;
≫ τ_и для получения цуга импульсов и регулировки длительности импульсов.

Устройство работает следующим образом.

С целью увеличения интенсивности излучения, кварцевый световод, длина которого определена соотношением < τ_и уложенный в спираль, облучается электронным пучком с параметрами: энергия 250 кэВ, плотность тока 0,5 кА/см². Световой импульс с конца спирали подается на регистрирующую аппаратуру, включающую монохроматор, калиброванный ФЭУ, быстродействующие р-i-n фотодиоды и осциллограф.

Например, длительность возбуждающего электронного импульса τ_и 10 нс. Диаметр кварцевого световода 100 мкм. Согласно соотношению < τ_и длина световода должна быть 2 м при τ_и10 нс. Диаметр спирали из кварцевого световода находим из формулы
L d где L длина спирали;
N число витков в спирали;
d диаметр световода.

Зададим длину спирали 1,76 м, количество витков такой спирали будет
N = 75
тогда диаметр спирали
D=2dN=1,5 см
Диаметр электронного пучка определяется диаметром световодной спирали, которая должна полностью перекрываться. Регулировка диаметра электронного пучка осуществляется ирисовой стальной диафрагмой от 0,2 см до 4 см. В данном случае задан диаметр электронного пучка 1,5 см. Регистрируемый спектр излучения от 200 до 1200 нм. Измеренная мощность на выходе световода 13,2 ˙10⁴ Вт, а плотность мощности этого излучателя будет 1,68 ˙10⁹ Вт/см².

В прототипе плотность мощности излучателя равна 7,5˙10⁴ Вт/см².

С целью регулировки длительности импульсов одномодовый или градиентный кварцевый световод, длина которого определена соотношением ≫ τ_и сворачивают в спираль и облучают электронным пучком с параметрами указанными выше. Возбуждающий импульс электронного пучка равен 20 пс, тогда длина световода для достижения цели изобретения должна быть >>0,4 см. Зададим длину световода равной 628 см, а диаметр световода 100 мкм. Тогда, зная что количество витков спирали световода N имеем 200 витков. Диаметр спирали световода D=2dN 4 см. Значит и диаметр электронного пучка должен быть 4 см. При облучении электронным пучком такого световодного кварцевого излучателя регистрируется световой импульс длительностью 3,14 ˙10^-8 с. Измеренная мощность на выходе световода 62,8˙ 10² Вт, что соответствует плотности мощности 8x x10⁶ Вт/см².

В случае минимального диаметра электронного пучка равного 2 мм, получили импульс излучения длительностью 20 пс. При плавной регулировке диаметра электронного пучка ирисовой стальной диафрагмой от 0,2 до 4,0 см длительность импульса на выходе световодного кварцевого излучателя плавно изменялась от 20 пс до 31,40 нс, а плотность мощности оставалась постоянной и соответствовала 8 ˙10⁶ Вт/см².

Для получения цуга импульсов одномодовый или градиентный кварцевый световод накручивают в виде спирали виток к витку на гибкий поглощающий электроны стержень. Это необходимо для того, чтобы противоположные полукольца витков на спирали электронный пучок не достигал. Длина световода определяется соотношением ≫ τ_и Задаем длительность возбуждающего импульса 20 пс. Диаметр используемого световода 50 мкм. Толщина стержня 0,5 мм. Длина световода должна быть >>0,4 см. Возьмем длину 40 м и проведем расчеты. Длина 1 витка световода на стержне равна 1,6 мм. Длина стержня (из капрона или полиэтилена) будет:
L:l d=40000:1,6 ˙0,05=1250 мм
Количество витков стержня со светово- дом N = 39,5 диаметр спирали D= 2dN=4 см. Значит выбираем электронный пучок такого же диаметра. Число витков световода будет 25000 и количество наблюдаемых пичков в цуге такое же. Измеренная мощность пичка в цуге при электронном облучении 23,0 Вт, а плотность мощности пичка на выходе световода 23 Вт:1,96˙ 10^-3 см²= 1,4 x x10⁴ Вт/см². Число пичков в цуге соответствует числу витков, длительность пичка 20 пс, длительность между пичками 3,8 пс.

Использование изобретения повышает интенсивность излучателя, расширяет интервал регулировки длительности импульса излучателя, обеспечивает получение цуга импульсов, упрощает технологии изготовления, так как исключает необходимость нейтронного облучения и термической обработки кристаллов.

Формула изобретения

1. ЭЛЕКТРОННО-ОПТИЧЕСКИЙ ИЗЛУЧАТЕЛЬ, содержащий излучающий элемент из материала на основе оксидного соединения и источник облучения, отличающийся тем, что, с целью расширения технических возможностей путем повышения интенсивности излучения, обеспечения возможности регулировки в широком диапазоне длительностей импульсов и получения цуга импульсов, излучающий элемент выполнен на основе световода из кварца с содержанием примесей не более 1 · 10^-5 мас.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что использован световод в виде спирали виток к витку, общая длина l(м) которой выбрана из выражения

где n=1,5 показатель преломления кварца;
c скорость света, м/с;
τ_и длительность импульса облучающего электронного пучка, с.

3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что для получения цуга импульсов использован световод, намотанный на поглощающий электроны гибкий стержень, свернутый в спираль, при этом длина l световода выбрана из выражения

4. Устройство по п.1, отличающееся тем, что для регулировки длительности импульсов излучения использован световод в виде спирали виток к витку с общей длиной l, выбранной из выражения

а между источником облучения и излучающим элементом установлена диафрагма для плавного коллимирования электронного пучка.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3