Устройство для создания импульсов света наносекундной длительности

(12) НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ УСТРОЙСТВО ДЛЯ СОЗДАНИЯ ИМПУЛЬСОВ СВЕТА НАНОСЕКУНДНОЙ ДЛИТЕЛЬНОСТИ(71) Заявитель Белорусский государственный университет(72) Авторы Воропай Евгений Семенович Самцов Михаил Петрович Радько Александр Евгеньевич Шевченко Константин Анатольевич Ляшенко Людмила Сергеевна(73) Патентообладатель Белорусский государственный университет(57) Устройство для создания импульсов света наносекундной длительности на основе газоразрядного источника, содержащее корпус с выходным окном и установленные в нем подключенные к источнику высоковольтного питания, последовательно соединенные резистор заряда и коаксиальный конденсатор, образованный полым цилиндром и установленным внутри него через цилиндрический изолятор электродом, имеющим на рабочем конце форму полусферы, и второй электрод, рабочий конец которого установлен от первого электрода на расстоянии, образующем разрядный промежуток, а также отражатель,обращенный своей вогнутой поверхностью в сторону выходного окна, отличающееся тем, что в качестве источника высоковольтного питания использован генератор высоковольтных импульсов с заданной и регулируемой частотой, рабочий конец второго электрода выполнен в форме конуса, а отражатель имеет эллиптическую форму, в фокусе которого находится разрядный промежуток. 28082006.06.30 Полезная модель относится к технике газоразрядных импульсных источников света и приборов и предназначена для использования в качестве источника возбуждения вторичных свечений в приборах и аппаратуре исследования быстропротекающих процессов в оптической спектроскопии, биологии, медицине. Для этих применений необходимы источники импульсного оптического излучения достаточной интенсивности, имеющие широкий сплошной спектр. Они должны также обеспечивать широкий диапазон регулировки по интенсивности, длительности, форме и частоте следования импульсов при достаточной стабильности параметров и значительном ресурсе работы самого излучающего элемента. Существующие в настоящее время генераторы на импульсных и капиллярных лампах не удовлетворяют в полной мере этим требованиям. Лазерные источники также не позволяют выдержать все параметры в совокупности, а при оптимальном сочетании параметров они оказываются достаточно дорогостоящими и к тому же более сложными в эксплуатации. Известен импульсный газоразрядный источник света, газоразрядная импульсная лампа, состоящая из двух электродов, которые находятся в полом цилиндре и образуют коаксиальную конструкцию 1. Подача высокого напряжения к электродам и регулировка частоты следования импульсов обеспечивается с помощью специального быстрого тиратрона. Сбор излучения посредством использования зеркала в комбинации с линзой обеспечивается путем фокусировки разрядного канала (искры) на входное отверстие оптической системы. Конструкция источника содержит ряд сложных систем управления,регулировки и контроля срабатывания, что ведет к высокой (8900 ) стоимости. Линзовая оптика ограничивает спектральный состав излучения. Общее число фотонов в импульсе во всем спектральном интервале по всем направлениям 1010 фот/имп. Совокупность управляющих элементов не позволяет получать очень короткие импульсы (1,2 нс по полувысоте и 6 нс по уровню 0,1). Известен импульсный газоразрядный источник, состоящий из корпуса с выходным окном, в котором установлены резистор заряда и последовательно соединенный коаксиальный конденсатор, которые подключены к источнику питания 2. Коаксиальный конденсатор состоит из полого цилиндра и электрода, рабочий конец которого имеет форму полусферы. Полый цилиндр и электрод разделены изолятором в форме цилиндрической трубки. При зарядке конденсатора до величины напряжения пробоя происходит искровой разряд между данным электродом и расположенным напротив него таким же электродом. Вследствие большой длины элементов конструкции импульсы источника имеют большую длительность. Наиболее близким по технической сущности является устройство для создания импульсов света наносекундной длительности, представляющее собой коаксиальную конструкцию, состоящую из массивного вольфрамового электрода, полого металлического цилиндра с изолятором в виде тонкостенной трубки из оргстекла между ними 3. Второй электрод,расположенный напротив массивного электрода, соединен с полым металлическим цилиндром резисторами. К электродам через зарядное сопротивление подается постоянное напряжение от высоковольтного источника. При включении напряжения происходит заряд емкости коаксиального конденсатора. При достижении напряжения до величины, равной пробойному, которое зависит от величины разрядного промежутка, происходит разряд и формируется световой импульс напряжение спадает до минимума и конденсатор снова заряжается. Расстояние между импульсами зависит от времени зарядки и может изменяться при изменении приложенного постоянного напряжения высоковольтного источника. Тем самым регулируется частота следования импульсов. Условия пробоя зависят от сопротивления разрядного промежутка, которое может изменяться вследствие флуктуаций состава, концентрации компонент газа в межэлектродном промежутке. Некоторые флуктуации наблюдаются и для точек электродов, между которыми происходит пробой, что, в свою очередь, приводит к флуктуациям длины, а, следовательно, и сопротивления разряд 2 28082006.06.30 ного промежутка. Все это приводит к значительным флуктуациям временных интервалов(скважности) между импульсами, а также к флуктуациям амплитуды световых импульсов. Эти факторы приводят к ухудшению временного разрешения аппаратуры, в которой источники такого типа используются в качестве источников возбуждения. Задачей настоящей полезной модели является увеличение стабильности амплитуды и частоты следования, а также повышение эффективности фотосбора при сохранении параметров длительности и, как следствие, улучшение временного разрешения аппаратуры с использованием данного источника, для измерения времен высвечивания вторичных процессов. Поставленная задача решается тем, что в устройстве для создания импульсов света наносекундной длительности на основе газоразрядного источника, содержащем корпус с выходным окном и установленные в нем подключенные к источнику высоковольтного питания последовательно соединенные резистор заряда и коаксиальный конденсатор, образованный полым цилиндром и установленным внутри него через цилиндрический изолятор электродом, имеющим на рабочем конце форму полусферы, и второй электрод,рабочий конец которого установлен от первого электрода на расстоянии, образующем разрядный промежуток, а также отражатель, обращенный своей вогнутой поверхностью в сторону выходного окна, новым является то, что в качестве источника высоковольтного питания использован генератор высоковольтных импульсов (ГВИ) с заданной и регулируемой частотой, рабочий конец второго электрода выполнен в форме конуса, а отражатель имеет эллиптическую форму, в фокусе которого находится разрядный промежуток. Частота следования высоковольтных импульсов определяется частотой задающего генератора и достаточно стабильна. Короткая длительность высоковольтных импульсов обеспечивает условия того, что к разрядным электродам высокое напряжение прикладывается в течение небольшого промежутка времени, тогда как в устройстве 3 высокое напряжение подается в течение всего времени и увеличивается от нуля до величины пробойного напряжения. Уменьшение времени приложения высокого напряжения в предлагаемом устройстве приводит к уменьшению флуктуации состава и условий пробоя, а, следовательно, и к уменьшению флуктуаций амплитуд световых импульсов. Сущность полезной модели поясняется чертежами, фиг. 1, фиг. 2 и фиг. 3. На фиг. 1 представлена структурная схема генератора высоковольтных импульсов (ГВИ). На фиг. 2 функциональная схема устройства для создания импульсов света наносекундной длительности. На фиг. 3 - дисперсия амплитуд импульсов управляемой и саморазрядной газоразрядной лампы. Генератор высоковольтных импульсов 1 (фиг. 1) состоит из задающего генератора 2,транзисторного блока 3 и высоковольтного трансформатора 4. Низковольтные импульсы с регулируемой частотой следования подаются на транзисторный блок 3, который формирует короткий импульс в первичной обмотке высоковольтного трансформатора 4. Сформированный во вторичной обмотке ГВИ 1 высоковольтный импульс через зарядное сопротивление 5 заряжает коаксиальный конденсатор, который образуется металлическим латунным цилиндром 6, с вмонтированным закругленным электродом 7 из торированного вольфрама и цилиндрической полой трубкой, один конец которой состыкован со вторым электродом 8 из торированного вольфрама с заостренным окончанием. Второй электрод запрессован в латунную оправку 9, которая с помощью тонких ребер соединена с цилиндрической полой трубкой. Между коаксиальными электродами помещен фторопластовый изолятор 10 в виде тонкостенной трубки. Вся конструкция газоразрядного узла заключена в металлический корпус 11 с выходным окном 12 из кварцевого стекла. Конструкция корпуса обеспечивает герметизацию разрядного промежутка, а также возможность прокачки определенного газа через разрядный промежуток. Сбор светового излучения, исходящего из искрового промежутка, осуществляется эллиптическим отражателем 13. В целом весь источник помещен в корпус. 3 28082006.06.30 Устройство работает следующим образом. Генератор 1 вырабатывает высоковольтные импульсы напряжения, частота которых может регулироваться в пределах 1-100 кГц. Каждый из импульсов напряжения через зарядное сопротивление 5 величиной порядка 1015 кОм заряжает коаксиальный конденсатор емкостью С, образованный элементами 6 и 9. При достижении на электроде 7 напряжения, равного пробойному, между электродами 7 и 8 происходит пробой разрядного промежутка, сопротивление его при этом становится порядка десятых Ома. Через разрядный промежуток проходит электрический ток, длительность импульса которого равна времени двойного прохождения расстояния между электродами. Для типичных расстояний между электродами это время имеет величину 0,3 нс. Из-за паразитной индуктивности разрядного контура импульс тока, а соответственно и световой импульс, имеют асимметричную колоколообразную форму с несколько затянутым спадом. Следующий электрический импульс формирует соответствующий ему световой импульс аналогичным образом. Частота световых импульсов таким образом задается частотой следования импульсов напряжения генератора. Энергия отдельного светового импульса определяется электрической энергией, запасенной в коаксиальном конденсаторе, и пропорциональна емкости конденсатора и квадрату напряжения между электродами, при котором происходит пробой. Емкость для использованной конструкции составляла около 50 пФ. Пробойное напряжение зависит от величины разрядного промежутка и состава газа в межэлектродном промежутке. Энергия в импульсе растет пропорционально квадрату напряжения. От расстояния между электродами сложным образом зависит длительность импульсов и стабильность работы газоразрядного источника. В связи с этим подбором величины разрядного промежутка обеспечивается оптимизация параметров источника - энергии и длительности световых импульсов. Проведенные исследования для конструкции данного газоразрядного источника показали, что минимальная длительность импульсов, как и для прототипа (0,6 нс), обеспечивается при величине разрядного промежутка 0,5 мм. С увеличением величины разрядного промежутка увеличивается энергия и длительность импульсов. Режим работы более стабилен. Оптимальная величина разрядного промежутка с точки зрения длительности и стабильности 0,5-0,8 мм. Стабильность амплитуд генерируемых импульсов непосредственно влияет на погрешность привязки в системах временного анализа. Результаты проведенных сравнительных измерений разброса амплитуд импульсов- для саморазрядной газоразрядной лампы 3 и- для заявленного источника, приведены на фиг. 3. Оценки показывают, что дисперсия амплитуд для настоящей полезной модели составляет менее 20 , а для источника типа 3 50 . Параметры предложенного устройства частота следования 1-100 кГц,нестабильность амплитуд менее 20 число фотонов за одну вспышку 1011-31012 пиковая мощность 1 Вт длительность импульса на полувысоте 0,6 нс при расстоянии между электродами 0,5 мм (измерения на длине волны 337 нм) телесный угол светосбора 1,7 ср предельное временное разрешение кинетического спектрофлуориметра, использующего в составе источник возбуждения саморазрядную лампу 3 0,3 нс данный источник - менее 0,2 нс. Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20. 5