ОГЛАВЛЕНИЕ
ВВЕДЕНИЕ...................................................... 5
ГЛАВА 1. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ УСТАНОВКА И
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ МЕТОДЫ............................. 12
1.1 Введение............................................ 12
1.2 Экспериментальная техника ......................... 15
1.3 Система регистрации оптических сигналов
и временные измерения............................... 18
1.4 Измерение заселенностей электронно-возбужденных состояний молекулы СО................................... 29
ГЛАВА 2. ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ ЗАСЕЛЕНИЯ ТРИПЛЕТНЫХ
СОСТОЯНИЙ СО В РАСПАДАЮЩЕЙСЯ ПЛАЗМЕ ................. 32
2.1 Введение......................................... 32
2.2 Обзор литературных данных ......................... 33
2.2.1 Работы по исследованию процессов возбуждения
и дезактивации состояний аЦГ, с£аА,е^Е .... 33
2.2.2 Процессы возбуждения электронных состояний молекул с участием долгоживущих образований 39
2.3 Результаты экспериментов по исследованию послесвечения с уровней о!,ъ2. ,<1ЪА 48
2.4 Процессы заселения триплетных состояний СО
в области малых давлений СО......................... 69
2.5 Процессы заселения триплетных состояний СО
в области больших парциальных давлений СО .......... 79
2.5.1 Процессы заселения триплетных состояний СО за счет радиационных переходов с вышележащих состояний СО............................ 81
2.5.2 Процессы заселения триплетных состояний СО за счет столкновительных переходов из близ-
- з -
нерасположенных долгоживущих состояний .... 88
2.6 Заключение ........................................... 103
ГЛАВА 3. ИССЛЕДОВАНИЕ ЭЛЕМЕНТАРНЫХ ПРОЦЕССОВ В ПЛАЗМЕ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ПЕРЕСТРАИВАЕМОГО ЛАЗЕРА НА КРАСИТЕЛЯХ....................................................... 104
3.1 Введение ............................................. 104
3.2 Экспериментальная установка с
перестраиваемым лазером .............................. 106
3.3 Исследование влияния лазерной накачки на послесвечение с триплетних состояний СО ......... 110
3.3.1 Обзор литературных данных ...................... 110
3.3.2 Исследование влияния излучения лазера
на послесвечение триплетних полос ............. 113
3.4 Анализ спектра флуоресценции ......................... 125
3.5 Измерение концентраций молекул 0,^
в разряде в смеси Не-СО .............................. 130
3.5.1 Обзор литературных данных ...................... 131
3.5.2 Измерение концентраций молекул С£
в разряде и в послесвечении ................... 136
3.5.3 Процессы образования и разрушения
молекулы в разряде и послесвечении ............ 151
3.6 Заключение.......................................................................... 162
ГЛАВА 4. ИЗМЕРЕНИЕ КОНСТАНТ СТУПЕНЧАТОГО ВОЗБУЖДЕНИЯ
СОСТОЯНИЙ е51 и ^2 МОЛЕКУЛЫ СО..................... 163
4.1 Обзор литературных данных............................. 163
4.2 Методика измерения констант скоростей ступенчатого возбуждения ................................. 164
4.3 Измерение КС СВ состояний в32 и .......... 169
4.4 Получение информации о сечениях процессов СВ .... 173
4.5 Роль процессов СВ в плазме............................ 179
- 4 -
4.6 Заключение .......................................... 184
ГЛАВА 5. ИССЛЕДОВАНИЕ ИК-СПЕКТРА РАЗРЯДА В СМЕСИ Не-СО И ПОЛУЧЕНИЕ ЗАВИСИМОСТИ ЭЛЕКТРОННОГО МОМЕНТА ПЕРЕХОДА а.Ъ1 —> а?П ОТ Г - ЦЕНТРОИДЫ........... 185
5.1 Введение........................................... 185
5.2 Анализ ИК-спектра разряда............................ 189
5.3 Получение зависимости электронного момента перехода а?2 —► а8П от г-центроиды............... 197
5.4 Расчет радиационных времен жизни нижних колебательных уровней состояния ......................... 206
5.5 Заключение........................................... 209
ЗАКЛЮЧЕНИЕ.................................................... 211
ПРИЛОЖЕНИЕ 1. Электронные параметры плазмы...................... 213
ПРИЛОЖЕНИЕ 2. Газовая температура, колебательная
температура СО, заселенность состояния
С0(а3П) в разряде в смесях Не-СО................. 226
ПРИЛОЖЕНИЕ 3. Возможные процессы заселения уровней С0*(Т) в реакциях с участием Нех(23$), СОСХ^/и), С0*(а3П, \; = 0-3), С0*(а!32,^= 0) и
в химических реакциях............................ 228
ПРИЛОЖЕНИЕ 4. Поведение заселенностей уровней при наличии столкновительных переходов между ними и
под действием лазерного излучения ............... 238
ПРИЛОЖЕНИЕ 5. Анализ кривых распада молекулы С£ в триплетнш состоянии (а3П)
в послесвечении разряда........................ 244
ЛИТЕРАТУРА .................................................... 248
ВВЕДЕНИЕ
Актуальность изучения процессов возбуждения молекул в газоразрядной плазме в смеси окиси углерода с гелием определяется в первую очередь необходимостью более полного исследования плазмы СО-лазеров. Такой лазер был впервые осуществлен в 1964 году на колебательно-вращательных переходах основного состояния молекулы СО Х;2. Его отличают высокий к.п.д.(до 40$), высокая выходная мощность, способность работать в непрерывном и импульсном режимах, многообразие методов достижения инверсии (газоразрядное, газодинамическое, химическое, электронно-пучковое возбуждение).
Эти качества, а также возможность выбора длины волны в сравнительно широком диапазоне 5-6.5 мкм делают его одной из важнейших молекулярных лазерных систем.
Известны также лазерные переходы между электронно-возбужденными состояниями СО , соответствующие полосам Ангстрема ( X =
= 568 - 660 нм) и полосам четвертой положительной системы СО ( X = 206.8 нм).
Несмотря на то, что процессы, происходящие в плазме СО -лазеров, интенсивно изучаются в последнее десятилетие во многих странах, имеющейся информации явно недостаточно для полного и точного описания рабочей среды этого лазера. Трудности, возникающие при изучении этого объекта, обусловлены главным образом многообразием процессов с участием нейтральных и заряженных частиц, протекающих в плазме. Концентрации атомов и частиц, появляющихся в результате разложения исходной смеси, и константы скоростей (КС) реакций с их участием во многих случаях остаются неизвестными. В связи с этим необходимо продолжать исследование плазмы СО-лазеров.
Представляет интерес и дальнейшее изучение элементарных про-
6
цессов с участием молекулы окиси углерода. Он обусловлен как актуальностью лазерных исследований, так и астрофизическим значением этой относительно простой и чрезвычайно распространенной во Вселенной молекулы. Благодаря интенсивному изучению молекула СО представляет собой довольно хорошо изученный объект. Однако число работ, посвященных элементарным процессам с ее участием, не уменьшается, а, наоборот, с каждым годом увеличивается. Происходит расширение и углубление знаний о вероятностях излучательных и столк-новительных переходов в молекуле, взаимодействии ее энергетических уровней.
Данная работа является продолжением исследований в этой области, ведущихся на кафедре оптики Ленинградского университета, и посвящена дальнейшему изучению плазмы СО-содержащих смесей и молекулы СО.
В диссертации решены следующие задачи: (I) исследованы процессы, обуславливающие интенсивное заселение низколежащих трип-летных состояний СО в послесвечении положительно-
го столба тлеющего разряда в смесях Не-СО; (2) исследована зависимость концентрации молекулы от условий разряда в СО -содержащих смесях, рассмотрены процессы образования и разрушения этой молекулы в разряде; (3) исследованы процессы ступенчатого возбуждения электронных состояний СО и 832 ; (4) изучен ИК-спектр
разряда в смеси Не-СО и получена зависимость электронного момента перехода а!32—от межъядерного расстояния.
Рассмотрим подробнее каждую из этих задач.
(I). Измерение распадов возбужденных состояний атомов и молекул является удобным способом исследования процессов их заселения. Это связано с тем, что, в то время как в разряде основным механизмом заселения возбужденных состояний является электронный удар, в распадающейся плазме на первый план выходят процессы, не связанные
- 7 -
с высокоэнергичными электронами. Такими процессами могут быть, например, столкновительная передача возбуждения, парные столкновения возбужденных частиц. Распадающаяся плазма является поэтому удобным объектом для изучения таких процессов.
Хорошо известно, что подобные процессы, происходящие как в атомах, так и молекулярных системах, всегда вызывают большой интерес. Это связано с их значением для понимания атом-молекуляр-ных взаимодействий, которые еще недостаточно хорошо разработаны. Процессы передачи возбуждения имеют и практическое применение: например, они могут приводить к созданию инверсной заселенности в плазме некоторых лазеров. Поэтому представляло интерес подробно исследовать наблюдающееся в наших условиях послесвечение триплетных состояний СО . Этот интерес усиливался еще тем, что обнаруженное послесвечение было чрезвычайно интенсивным и сравнимым с электронным возбуждением данных состояний.
В центре внимания при анализе экспериментального материала, касающегося послесвечения триплетных состояний СО , был вопрос о механизме заселения этих состояний. Для _ его решения были проделаны специальные эксперименты с накачкой плазмы перестраиваемым лазером на красителях.
(2). Плазма СО-лазера характеризуется относительно высокой степенью разложения исходной смеси. В результате диссоциации и химических реакций в разряде появляются различные вторичные продукты - 0,С , СО* , Ся (возможно, также С20 , С3О2 )♦ Возникает также целый ряд заряженных частиц сложного состава. Все эти компоненты в той или иной степени влияют на работу СО -лазера. Поэтому представляет интерес выяснить концентрации каждого сорта таких частиц в плазме, основные механизмы их образования и разрушения. Для некоторых из них ( С02,0 ) такие результаты имеются. Для других, в том числе и С2 , экспериментально найденные
- 8 -
концентрации отсутствуют. Неизвестны и основные реакции образования и разрушения этой молекулы.
В данной работе впервые производилось измерение концентрации С2 в разряде и послесвечении плазмы в смеси Не-СО . Для этого применялся метод лазерной флуоресценции. Данные о зависимости концентраций С2 от экспериментальных условий использовались для анализа механизмов образования и гибели молекулы С2 в плазме в смеси Не-СО.
(3). Известно, что ступенчатое возбуждение (СВ) электронным ударом может быть важным механизмом возбуждения электронных состояний атомов в плазме. Информация о роли этих процессов для возбуждения электронных состояний молекул до последнего времени практически отсутствовала. Именно это определяет важность изучения процессов СВ молекул. Лишь недавно методика импульсного подогрева распадающейся плазмы была применена для измерения констант скоростей СВ молекул СО и . В данной работе уже развитая методика была примнена еще к двум состояниям СО - £3Л и
. Из результатов измерений извлекается информация о сечениях процессов СВ этих состояний.
(4). Спектр испускания молекулы СО, вызванный электронными переходами, достаточно хорошо изучен в спектральной области от 200 до 860 нм. Однако сведения об излучении молекулы в спектральном диапазоне от 860 до 2200 нм в литературе отсутствуют.
В то же время в ИК-области спектра, по расчетам, должны находиться интенсивные молекулярные полосы, соответствующие электронным переходам молекулы. Поэтому информация об излучении молекулы СО в этой области представляет интерес.
В диссертации в диапазоне 860-2200 нм были обнаружены полосы двух электронно-колебательных систем СО. Они были идентифицированы и по наименее перекрывающимся полосам системы Асунди полу-
- 9 -
чена информация о зависимости электронного момента перехода от межъядерного расстояния.
Информация о зависимости &е(г) является необходимой для определения вероятности переходов отдельных электронно-колебательных полос. Для системы Асунди молекулы СО такие сведения до настоящей работы отсутствовали.
Диссертация состоит из введения, 5 глав и приложений.
В первой главе описывается экспериментальная установка и рассматриваются особенности работы применявшейся схемы временного анализа излучения плазмы.
Вторая глава посвящена исследованию процессов заселения низкорасположенных триплетных состояний СО в послесвечении разряда. Анализируются возможные механизмы такого заселения и их адекватность экспериментальным результатам.
В третьей главе рассматривается влияние лазерной накачки на послесвечение с триплетных состояний СО. Это дает возможность уточнить механизм заселения этих состояний в распадающейся плазме.
Кроме этого, приводятся результаты измерения концентраций молекул в разряде и в послесвечении и анализируются механизмы их образования и гибели.
В четвертой главе изучаются процессы ступенчатого возбуждения (СВ) электронным ударом электронных состояний СО и
&ъ2 . Извлекается информация о сечениях СВ этих состояний.
В пятой главе анализируется спектр разряда в смеси Не-СО в ИК-области. Производится классификация наблюдаемых линий и молекулярных полос. Определяется зависимость электронного момента перехода —>о?П от г-центроиды.
В приложениях помещен вспомогательный материал.
Основные результаты диссертации докладывались на Ш Межвузов-
- 10
ском семинаре молодых ученых "Физика процессов в газоразрядной плазме" (Ленинград, 1982), на XI Всесоюзном съезде по спектроскопии (Томск,1983) и изложены в следующих работах:
1. Блашков В.И. Распад триплетных состояний СО в послесвечении разряда в смеси Не-СО.-Л.,1983,16 с.(Деп.ВИНИТИ 31.08.1983 № 4907-83).
2. Блашков В.И., Ионих Ю.З. Относительные вероятности полос Асун ди молекулы СО и процессы их возбуждения в послесвечении разряда. - Тезисы докладов XI Всесоюзного съезда по спектроскопии, Томск,1983, ч.2, с.190-2.
3. Блашков В.И., Жувикин Г.В. Об использовании многоканального анализатора амплитуд в качестве анализатора временных интервалов. -Л. ,1984, 12с. (Деп. ВИНИТИ 21.06.1984 № 4191-84).
4. Блашков В.И., Ионих Ю.З., Пенкин Н.П. Инфракрасные полосы системы Асунди и электронный момент перехода а92 —> сс’П молекулы СО .- Журн.прикл.спектр., 1984, т.41(3), с.471-5.
5. Блашков В.И., Ионих Ю.З., Пенкин Н.П. Измерение констант ступенчатого возбуждения состояний и молекулы СО в плазме. - Известия ВУЗов, Физика,1984,т.27(9), с.88-92.
6. Блашков В.И. Лазерная накачка газоразрядной плазмы в смеси
Не-СО.- Л.,1985, 11с. (Деп. ВИНИТИ 25.10.1984 № 6906-84).
Основные положения, выносимые на защиту:
I. Обнаружены интенсивные процессы заселения низколежащих триплетных состояний СО а.в послесвечении положительного столба разряда в смесях гелия с малыми добавками СО . Доказано, что в области малых парциональных давлений СО (рсо~ ~1 мтор) существенным является заселение данных состояний в послесвечении разряда в результате диссоциативной рекомбинации с участием иона СО£. Установлено, что при рсо>2 мтор заселе-
11
ние триплетных состояний СО происходит за счет столкновитель-ных процессов передачи возбуждения с высоких ( \Г = 7-14) колебательных уровней метастабильного состояния СО 0?П .
2. Измерены концентрации молекул Сх в разряде и в послесвечении в смесях гелия с малыми добавками СО . Для этого использован метод лазерной флуоресценции. Предложена схема процессов образования и разрушения молекул С2 в разряде.
3. Измерены ранее неизвестные КС ступенчатого возбуждения состояний и . Определены количественные характеристики таких процессов, которые могут быть использованы для расчетов скорости СВ при произвольных условиях.
4. Установлен факт интенсивного свечения разряда в смесях //е-СО в спектральной области 860-2200 нм. Доказано, что спектр
разряда в этой области формируется в основном за счет электронно-колебательного спектра молекулы СО на переходах &ЪГ1
И сРА а?П .
5. Показано, что в приближении Г -центроиды электронный момент перехода 0иъ2. —> а?П не зависит от межъядерного расстоя-
о
ния в пределах изменения Г -центроиды I•18—I.31 А . Сделаны надежные оценки ранее неизвестных радиационных времен жизни уровней V = 0-3 состояния а/^2.
- 12
Глава І
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ УСТАНОВКА И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ МЕТОДЫ
І.I Введение
Исследования проводилисьв тлеющем разряде постоянного тока в смеси гелия с малыми (0.1-0.8%) добавками СО.
Разряд гелия характеризуется высокой средней энергией электронов, которые могут эффективно возбуждать электронные состояния молекулы СО . Тушение этих состояний за счет столкновений с молекулами СО малоэффективно из-за низких парциальных давлений СО . Достаточно высокое давление всей смеси (0.5-8.0 тор) затрудняет диффузию возбужденных молекул СО к стенкам разрядной трубки, столкновение с которой сопровождается их гибелью. Тушение возбужденных состояний СО атомами Не мало эффективно: так, например, по данным /I/ константа скорости тушения гелием мета-стабильного состояния СО а?П (рис.1.1) составляет 1(Г см3/с, так что тушение даже метастабильных молекул атомами Не пренебрежимо мало по сравнению с другими процессами их дезактивации. Гелий, таким образом, является в данном случае буферным газом.
В результате условия наших экспериментов характеризуются относительно высокими заселенностями электронных состояний СО .
С другой стороны, присутствие молекулярного газа в виде малой добавки в смеси сильно облегчает анализ процессов в плазме.
При исследовании элементарных процессов с участием различных электронных состояний целесообразно рассматривать плазму в фазе послесвечения, когда электроны уже потеряли свою энергию и не участвуют в процессах возбуждения. Несмотря на то, что и в этом случае картина процессов требует тщательного анализа и не всег-
13
Рис.1.1. Схема энергетических уровней СО и С0+
- 14 -
да удается однозначно интерпретировать наблюдаемое явление, все же исследование послесвечения значительно упрощает анализ процессов и позволяет получить информацию о константах скоростей (КС) элементарных процессов.
При исследовании элементарных процессов необходимо знание ряда характеристик плазмы газового разряда: функции распределения электронов по энергиям (ФРЭЭ), распределений атомов и молекул по электронным и колебательным степеням свободы, газовую температуру. Использованная в работе экспериментальная установка позволяла измерять следующие параметры: ток в разряде, давление смеси, напряженность продольного электрического поля, заселенность электронно-возбужденных состояний. На основе этих данных рассчитывались или оценивались остальные.
Ряд параметров разряда (концентрация электронов в разряде, напряженность продольного электрического поля, газовая температура, колебательная температура основного состояния СО X 2! ), а также заселенности метастабильного состояния СО &3/7 были измерены для наших условий в работах /2,3/ и поэтому не измерялись вновь. Эти данные, поскольку они являются необходимыми для анализа элементарных процессов в плазме, приводятся в Приложениях 1,2.
Изучение поведения электронной концентрации Не и температуры Те. в послесвечении является достаточно большой самостоятельной работой. Однако для наших целей детали этого поведения были несущественны. Упрощенные модели, описывающие поведение в послесвечении Не и Те. , рассмотрены в Приложении I.
Экспериментальная установка, описываемая в этой главе, была основной: на ней получена большая часть экспериментальных данных. Кроме этого, в работе использовалась вторая установка с перестраиваемым лазером. Она была собрана для проведения экспе-
- 15 -
риментов с лазерной накачкой газоразрядной плазмы. Описание этой установки приводится в п.3.2.
1.2 Экспериментальная техника
1. В работе использовались смеси Не+0.1 %С0 , ^е+0.8%С0 и Не+0.6%00 + 0.6%0^ • Они были изготовлены на газоперерабатывающем заводе и содержались в стальных сорокалитровых баллонах при давлении 150 атм (15 МПа). Содержание посторонних примесей, по данным спектрального и химического анализа, не превышало
Блок-схема экспериментальной установки представлена на рис.1.2.
2.Вакуумная система и разрядная трубка. Измерения проводились в положительном столбе тлеющего разряда, а также в его послесвечении. Чтобы избежать изменения состава исходной смеси в результате разложения молекулы СО , а также из-за электрофореза, применялась непрерывная протяжка газа через разрядную трубку. Смесь подавалась в трубку через игольчатый натекатель, который позволял регулировать давление в потоке, и медный капилляр, охлаждаемый жидким азотом.
Разрядная трубка (рис.1.3) была изготовлена из молибденового стекла и имела длину горизонтальной части (между окошками)
280 мм при диаметре 30 мм. На одном торце трубки помещалось кварцевое окно. Электроды были изготовлены из никеля и тантала. На оси трубки помещались три электрических зонда. Непосредственно за трубкой располагался манометрический датчик сопротивления МТ-6, градуированный по V -образному масляному манометру. Давление в трубке составляло 0.5-8.0 тор. Скорость прокачки газа через трубку определялась по падению давления на калиброванном калпиляре. Она составляла не менее 0.5 м/с.
Рис. 1.2. Блок-схема экспериментальной установки
Рис. 1.3. Разрядная трубка
- 18 -
Перед измерениями трубка откачивалась форвакуумным и диффу-
—А —Л
зионным насосами до давления 10 тор (^10 Па ), а также обезга-живалась тренировкой разрядом при максимальном токе.
3. Схема питания разрядной трубки. Схема питания трубки приведена на рис.1.4. Трубка питалась от источника (ВВ) (максимальное напряжение - 2000 В) через ламповый стабилизатор тока и балластное сопротивление 10 кОм. Средний по периоду ток измерялся многопредельным амперметром Ц4311 и составлял от I до 120 мА.
Разряд периодически обрывался схемой шунтирования (СШ), которая представляла собой несколько мощных транзисторов КГ809А, подсоединенных параллельно трубке (рис.1.4). При поступлении на вход СШ прямоугольного импульса напряжения от генератора Г5-7А транзисторы открывались и шунтировали разряд.
Частота повторения импульсов тока составляла 500-1000 Гц, интервал между импульсами тока - 500 мкс, задний фронт импульса тока I мкс.
Для исследования процессов ступенчатого возбуждения применялась техника импульсного подогрева распадающейся плазмы.
В послесвечении к электродам трубки прикладывался импульс напряжения, который имел регулируемые амплитуду, длительность и задержку относительно заднего фронта импульса разрядного тока. "Подогревающий" импульс поступал на разрядную трубку в послесвечении разряда; для этого на вход ключа К (рис.1.4) подавался прямоугольный импульс со второго канала Г5-7А. Длительность фронтов импульса тока при подогреве не превышала I мкс.
1.3. Система регистрации оптических сигналов и временные
измерения
I. Система регистрации оптических сигналов.
Излучение положительного столба разряда через линзу из Ь’Г
І
м
СО
І
Рис. 1.4. Схема питания разрядной трубки
20 -
попадало на входную щель монохроматора с дифракционной решеткой. Для разных областей спектра применялись решетки 1200, 600 и 300 штр/мм, обратная дисперсия прибора при этом составляла соответственно 1,2 и 4 нм/мм. На линзе крепилась диафрагма размером 5x6 мм, которая пропускала на входную щель поток из приосевой части трубки приблизительно с таким же сечением. Внутри этого объема градиенты концентрации электронов, заряженных частиц, температуры, как показывают оценки, были малы. Световой поток регистрировался фотоумножителями ФЭУ-62, ФЭУ-79 или ФЭУ-106. При работе в аналоговом режиме сигнал ФЭУ усиливался усилителем У7-2 и записывался на самописце КСП-4.
Для регистрации спектров в инфракрасной области применялся неохлавдаемый фоторезистор на основе РЬ?> . чувствительный в области 0.5-3.0 мкм. Использовалась схема синхронного детектирования, значительно уменьшавшая шумы фоторезистора и влияние пульсаций питающего его напряжения. Она включала модулятор (-^=500 Гц) селективный вольтметр В6-9, синхронный детектор КЗ-2 и самописец КСП-4.
При проведении абсолютных измерений система регистрации градуировалась по водородной и банд-лампе в спектральном диапазоне 200-2700 нм.
2. Временные оптические измерения.
Для временного анализа оптического сигнала применялась регистрация отдельных фотонов в режиме задержанных совпадений.
Работа схемы регистрации иллюстрируется на рис.1.5.
Одноэлектронные импульсы ФЭУ-106 поступали на один вход схемы совпадений. На ее второй вход поступали прямоугольные импульсы с делителя частоты Ф5093, который в данном случае использовался как генератор. Световые импульсы, прошедшие схему совпадений, по-
- 21
пилообразное напряжение
задержанный синхроимпульс Г6-15
импульс обрыва разряда
І і і I с
^ ток разрядной трубки
^ строб схемы совпадений
импульсы ФЭУ
импульсы ФЭУ после схемы совпадений
Рис.1.5. Импульсные напряжения, вырабатываемые различными элементами схемы регистрации оптического сигнала
- 22
ступали на вход частотомера ЧЗ-35А и одновременно на вход синхронизации многоканального анализатора импульсов АИ-256-6. На сигнальный вход АИ подавалось пилообразное напряжение с генератора Гб-15. АИ-256, таким образом, работал в режиме анализа непрерывного сигнала. Такая схема включения АИ для проведения временных измерений была предложена Г.В.Жувикиным. В канал АИ, соответствующий значению пилообразного напряжения, достигнутого к моменту перехода импульса ФЭУ, заносилась "1”.
Генератор Гб-15 вырабатывал также синхроимпульс, запускающий всю схему регистрации и обрыва. Момент обрыва был совмещен с моментом начала роста пилообразного напряжения с помощью генератора зедержки Г5-4Б. Таким способом осуществлялось преобразование время - амплитуда, и на анализаторе можно было записывать спад интенсивностей молекулярных полос в послесвечении.
Такая схема включения АИ для временного анализа оптического сигнала была применена сравнительно недавно /4/. Гораздо шире применяется для этих целей схема с время-амплитудным конвертором (ВАК) /5/, ставшая уже традиционной.
Сравним здесь возможности этих двух схем временного анализа посредством точного описания искажений, вносимых ими при измерениях.
В схеме с ВАК возможна регистрация только первого фотона в каждом цикле послесвечения. Это вынуждает ограничивать световой поток на входе системы регистрации с тем, чтобы число многофотонных циклов было пренебрежимо мало по сравнению с числом однофотонных циклов.
Главное отличие применявшейся в настоящей работе схемы от схемы с конвертором состоит в том, что линейно нарастающий сигнал генератора пилообразного напряжения (ГПН) не обрывается с приходом импульса ФЭУ. Данная схема за один цикл послесвечения способ-
23
на регистрировать несколько одноэлектронных импульсов. Как следствие, для такой схемы возможно в принципе увеличение скорости набора информации.
Рассмотрим случаи, когда предпочтительнее та или иная схема включения анализатора амплитуд. Для выбора оказывается существенным соотношение между мертвым временем АИ 'См и длительностью анализируемого промежутка времени . (Мертвым временем АИ 'Сц принято называть промежуток времени после прихода первого регистрируемого импульса на вход АИ, в течении которого приход последующих импульсов не сопровождается их регистрацией. Величина 'См определяется временем, которое затрачивает АИ на анализ сигнала и занесение информации в одну из ячеек памяти).
Случай I. > 1• Эта ситуация возникает при исследовании быстрых процессов. В этом случае возможности схем совпадают: в обоих вариантах недопустим приход более, чем одного фотона за цикл послесвечения. Истинное распределение ^(1 - номер канала АИ) и измеренное распределение W•L связаны для обеих схем регистрации соотношением (/6/)
\а/і
, О Л)
где М - число циклов. Под истинным распределением ^С. понимается число импульсов ФЭУ, поступивших на вход системы регистрации на временном интервале, соответствующем 1-му каналу АИ за время измерения. \^і - число зарегистрированных импульсов в 1-м канале. Мерой искажения в с-м канале служит отличие от ^»
неискаженной регистрации соответствует равенство = I
(т.е. I).
Из (І.І) видно, что всякий импульс, зарегистрированный в каналах с номерами 0 ^ ^ < I , вносит вклад в искажение числа на-
- 24 -
бранных импульсов в ь-м канале. Чем меньше 2-^/^ (т.е. среднее число импульсов, регистрируемое за один цикл послесвечения в каналах 0 £ ^ < I ), тем меньше искажение в канале с , Наибольшее искажение получается при любом распределении ^ для каналов с большими номерами I .
Случай 2: -с 'Ьо^ (относительно медленные процессы).
В этом случае в используемой в работе схеме реализуется режим многократной регистрации фотонов за цикл послесвечения и скорость набора информации может быть увеличена по сравнению со схемой с конвертором.
Истинное и накопленное распределения для используемой в работе схемы связаны уже соотношением /5/ (приведем его в дискретном виде, аналогичном (1.1))
и». — М-______________________
~1 5? . . . (1.2)
с
где К = I— - временной интервал, соответствующий
одному каналу АИ).
Характер искажений истинного распределения значительно изменяется по сравнению со случаем I. В отличие от случая I, вклад в искажение в канале I дают только импульсы, накопленные в каналах с номерами ^ ^ К . Наибольшие искажения характерны для номеров каналов, приблизительно соответствующих 'См* 2*Ем , Зіц ..., а не для последних каналов, как в случае I. Формула (1.2) показывает, что, чем меньше 'См , тем большая загрузка допустима (при одинаковых искажениях истинного распределения). Таким образом, в случае 2 в используемой схеме для определения допустимой загрузки системы регистрации следует исходить не из среднего числа импульсов за послесвечение, как в случае I, а из среднего числа импульсов за мертвое время системы регистрации (длительность ис-
- Київ+380960830922