Спектротрон

0 П И С А Н И Е 178166ИЗОБРЕТЕНИЯК АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ Союз Советскил Социалистическил Республикависимое от авт. свидетельстваявлено 21.1 Х.1964 92238226-2 Кл, 42 Ш,ем заявкиприсое МПК 6 ОЙ Приоритет Комитет по деламобретений и открыт Опубликовано 17,Х 1.1966, Боллетець23 УДК 681.142:531,715.1 (088.8) при Совете Министре СССРСПЕКТРОТРОН Известны спектротроны, содержащие четырехполюсник с гребенчатой амплитудно-частотной характеристикой, охваченные петлейобратной связи.Предложенный спектротрон отличается тем,что в нем в качестве четырехполюсника использован интерферометр Фабри - Перо, облучаемый от источника когерентных монохрома.тических колебаний света с лицейчатым спектром и связанный оптически с фотосопротивлением, которое включено последовательно с постоянным сопротивлением нагрузки, а цепьобратной связи образуется соединением его сэлектродами ицтерферометра.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 характеристикаего настройки, как функции управляющего напряжения,Спектротрон светового диапазона состоитиз интерферометра - пластинки Фабри - Перо, 25фотосопротивления и пленочного сопротивления нагрузки.Ицтерферометр Фабрп - Перо представляеткруглую плоскопараллельцую пластинку 1 изоптически прозрачного диэлектрического мате- зо риала с нацесенцыми на нее тонкими многослойными диэлектрическими покрытиями 2 и нанесенными снаружи слоями 8 металла, полупрозрачными вследствие своей малой толщины.Оптически полупрозрачные металлические слои 8 являются электродами, между которыми в диэлектрической среде пластинки образуется однородное электрическое поле. Токосъемниками топких металлических слоев являются металлические кольцевые оптически непрозрачные электроды: наружный 4 и внут. ренний 5. Внутренний электрод, кроме того, служит токосъемом для одного пз концов фотосопротивлеция б, выполненного в форме тонкого диска с отверстием 7 в центре. Центральной части фотосопротивлецпя б (см. фиг. 1) касается кольцевой электрод 8, являющийся вторым отводом фотосопротивления. Отверстие в электроде 8 совпадает с отверстием 7 в фотосопротивлецци и пропускает ца выход прибора световой поток, прошедший при определенных условиях через пластинку Фабрив Перо.Г 1 леночное 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 предохранения пленки сопротивления 9 и наруж 178166ной части фотосопротивлеция б нанесено изо. лирующее покрытие 10. Вся конструкция может быть заключена в вакуумный баллон, например стеклянный, прозрачный для светового потока.Немонотонная амплитудно-частотно-порядковая характеристика 11 ицтерферометра Фабрц - Перо (см. фиг. 2), выполняющего функции перестраиваемого колебательного контура, и характеристика 12, выражающая зависимость настройки ицтерферометра 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 спектротроц 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 накопцтельчом счетчике импульсов).Предлагаемое устройство содержит все основные элементы радиочастотного спектротро. на. Функции колебательного контура выполняет в нем ицтерферометр 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 3 (слоями интерферометра). Причем интер ференционный колебательный контур перестраивается в спектротроц светового диапазона изменением показателя преломления диэлектрической среды пластишоц под действием управляющего электрического 5 о 15 гв 25 30 35 40 45 50 55 60 65 поля. Последнее образуется вследствие падения напряжения ца сопротивлении 9 нагрузки, находящемся в последовательной цепи с фотосопротивлением б и источником постоянного напряжения е/, питания спектротрона светового диапазона.Рабочая поверхность спектротрона освещается нормально падающим параллельным потоком когерецтцых моцохроматцческих излучений, создаваемых сторонним источником и представляющих лицейчатый спектр в оптической области частот. Входной световой поток указан ца фиг. 1 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 цем использован новый способ селекции состояний (определенного условного номера состояния устойчивого рашювесия, в котором находится спектротрон сьетового диапазона к какому- либо моменту времени), что существенно упрощает систему индикации состояний спектротрона, например, прц 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 фотоспектротроцов), рабочая поверхность которых освещается одним общим источником спектра. Запоминающие устройства ца основе таких матриц весьма комцакзны.Использование оптического спектра частот резко повышает быстродействие прибора, практически оцениваемое величиной 109 гц что способствует увеличению технической эффективности цифровых вычислительных машинп.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 ицтерференционый колебательный контур, представленный интер ферометром Фабри - Перо, обладающий способностью перестраиваться в пределах некоторого диапазона частот благодаря воздействию электрического поля на показатель преломления пластинки 1, выполцсшюй из пьезосегцетооптичсского материала, например из моцокрцсталла кварца, титацата бария и т. д. (всего 20 классов кристаллов) .Электрическое поле в пластинке 1 создается приложением напряжения к проводящим(7) оптически полупрозрдгяым металлическим покрытиям 3 черсз кольцевые оптически цепрозрачцые контакты 4 ц б, причем это напряжение падает в сопротивлении нагрузки 9. Величина этого напряжения, а следовательно, ц настройка интсрферометра определяется интегральной освещенностью фотосопротивления б, поскольку сопротивление пагрузки 9 и фотосопротивлецие б подключены последовательно к источнику постоянного напряжения.Напряжение между покрытиями 3, а следовательно, и величина напряженности электрического поля в пластинке, тем больше, чем больше интегральная освещенность фотосопротивлеция б, то есть чем меньше величина фотосопротивлеция. Изменение показателя преломлегшя цьсзосегцстоэлектрцческих материалов при изменении напряженности электрического поля, воздействующего па цпх, известно и широко используется в электрооптических модуляторах света.При приложении к ицтерферометру управляющего напряжения он используется по новому пазначецию как перестраивяемый в достаточцо широких пределах иптерферецццонный колебательный оцтур с очень высокой эквивалентной доброгцостью, практически достигающей велцчины до 8 миллионов.Рассмотрим сначала работу спектротроцд светового диапазона при облучении его световьм потоком, представляющим когерецтное моцохроматцчсское колебание одцой частоты, характеризуемой волновым числом ъ, связанцьм с длц 11 ой ьолцы выражением1ч:г. Ицтерферецццоцный колебательный контур считается настроенным в резо, санс:,Оо:1 ядяет мяксцмялыго 11 п 1 розрячцостью для падающего ц проходящего через него светового потока, при условии выполнения цело- численности порядка Р интерференции в слое пластинки ццтерфсрометра, т. с.Р=2; гг г 1=т,гдеи - показатель преломления пластинки 1,ггг - толгцица пластинки 1.гг=1,23, целое число; Порядок Р цнтсрферецции указывает, какое число длцц волн ), укладызается в промежут с меж;1 Отряж 31 О 111 цмц покрытиями 2, т. е. в толщине И цлястицки.Таким образом, яркость светового потока на выходе ицтерферометра максимальна при выполнении условия (2) ц минимальна при соблю,гециц условия (3)Р=2, а= "+ (3)2 Следовательно, ицтерференциоццый колебательцый контур может быть настроен в резонанс на какую-либо одну частоту несколькимц способами, то есть прц разш 1 х порядках интерференции Р, для которых соблюдается условие целочцслецностц (2), Это отличает цнтерферецпцоцш.ш колебательцый контур от 5 радиочастотного и открывает дополнительныевозможности для дальнейшего резкого увеличепця числа устойшвых состояшгй равновесия у спектротрона светового диапазона по сравнению с рядцочастотцым спектротроном, 10 если в ццх использовано одинаковое число лишьй спектра.Число порядков интерференции, для которыхвыполняется условие (2), определяется возможностями измепдцця показателя преломле ция гг диэлектрической среды пластинки в соответствии с имеющейся зависимостью между величиной показателя преломления и напря.женностью электрического поля Е в диэлект- рике 20а = 1 1 Е 1 а) - (г) Е (4)где Е (о) - диэлектрическая прошщаемостьматериала для рассматриваемой частоты спектра прц напряжен цостц электрического поля, рав 1 оч ц 1 о Е=Оа - модуль коэффиццсцта пропорциональности, указывающего па способность данного диэлектрика цз.30 менять сьою диэлектрцчсскугопрошщаемость под действием электрического поля ц имеющего рязмсрцость в-"- с,11-.Обозначив число порядков Р интерференции, удовлетворяющих условию (2), черезкаких-то коцкретш.1 х условий работыспектротропа светового диапазона (матерцала плдстц,ц;и, величины напряжения Га источника питания, чувствительности фотосопротивле цця 6 и т. д.), будем иметь наборРР Р Р,Р (5),Прц этом спектротроц светового диапазонаобладает Е устойчцвымц состояниями рдвповесця прц облучении его когерентцым световым потоком с одной частотой (одцой линией 50 спектра).Если число У. миого меньше велцч 1 гпы стар.шсго порядка ццтерферецццц, т. е.Рг -- Р. + 1:. Р, + 2 == Рь + 1. - 1(6),то спектральное расстояние Л между любымц двумя смежцьгмц порядками (например, между Р ц Р., 1) остается прцблцзцтельпо постоянным, цезцачцтельцо увеличиваясь прц 60 пош 1 жеццц величины порядка ццтерферецциц.Общее выражение для спектрального расстояния Л дается зависимостью(10) У =.Н 5 55 Если в источнике спектра облучения спектротрона светового диапазона содержится М спектральных линий, имеющих эквцдистантное распределение со спектральным расстоянием между двумя соседними линиями б, равным где Лп - минимальное спектральное расстояние между порядками интерференции из набора (5), в частности, между порядками Р, и Р 2.1 - наименьшее значение волновогочисла, соответствующего наиболее длинной волне линий спектра, то спектротрон светового диапазона можег быть настроен на любую из М частот спектра, характеризусмых голновыми числамп1 " з;М (9) где г = 1,2,3 Мв пределах каждого порядка интерференции из набора (о). Общее число настроек интерференционного колебательного контура в резонанс при этом определяется произведением чисел 1. и М.Амплитудно-частотно-порядковая характеристикаа контура (кривая 11 фпг. 2) выражает зависимость интенсивности выходного светового потока от итерферометра или, что то же, завпсимость величппь управляющего настройкой контура апряжсня У от текущего значения волнового числа 1 и псмсра порядка интерференции.Число максимумов у этой характеристики также равно произведению чисел 1. и М. Каждому из этих максимумов соответствует определенное значение показателя преломления и диэлектрической среды пластинки 1 (индексы Й иданы в общем виде), так что для различных порядков интерференции и различных частот условия настроек ИКК в резонанс можно записать в виде 1 ф 11 - Ф 12 -;1 - МГС 1 М: 1 12 д ГЛ 21 - 222 -- ;% - : )МП 2 М - Р 2, 21 й: )2 Пй,Ю,;- )МП,М = Р, 2 д1 пс 1 - 12 юс 2 -,: ч гсс -- )мпсм - Рс 2 причем имеет место выполненно перавепств 1( 2(( (( М Р) Р 2Р, Рс,15 20 25 30 35 Теоретическое рассмотрение показывает, что текущее значение интенсивности выходного светового потока контура ф в зависимости от текущего значения управляющего напря 1 кея 5 ф определяется вьражением где 5 ф - номер максимума амплитудно-частотно-порядковой характеристики, или номер состояния устойчивого равновесия спектротрона светового диапазона, определяемый выра- жением 5 ф - (/г - 1) М+1 (12),1, - интенсивность 1-ой линии спектра на выходе контура,1 - волновое число, соответствующее линии спектра с наиболее длинной волной,Р. и с - соответственно индексы номера порядка интерференции и волнового числа линий спектра,ЬС - спектральное расстояние между порядком Р 1 интерференции и порядком Р интерференции,М - спектральная ширина между двумя соседними линиями экгидистатного спектра облучения спектротрона светового диапазона,с - скорость света,- текущее значение времени,Я,; - добротность контура для 1-й липни спектра при Й-ом порядке интерференции,г 5 ф - коэффициент передачи контура для 5 ф состояния спектротрона светового диапазона,Ф (Ь)некоторая функция управляющего напряжения (Ф(У) = ,+6 У где , - некоторое начальное значение частоты (в волновых числах) настройки контура, меньше т,6 - постоянный коэффициент, имеющий размерность см. в 1У - 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 систему автоматического регулирования, следует от. метить, что величина управляощего напряжения У определяется величиной фотосопротивления б, которая, в свою очередь, зависит от интенсивности выходного светового потока ф, т. е. г)де д (вых ф) - некоторая функция от интенсивюсгп выхо;ного светового потока,сБ - элемент площади рабочей части фотослоя.Совместное решение уравнений (11) и (14) приводит к выражению видаи= 1 дуо,ип( ъкоторое, 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 равновесия управляющими напряжениями (,что можно записать в формес ( а( /,. (11 и( (С 21 ( (оа ((Кс ( ( ( Ь 2 и( ( асс, ( (-Ссг,( (сс; ( ( ( (сси( ( С 1 ( с с.2 (( асс ((( (оси(16)Пересечение прямой обратной связи (11) с 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 спектротроца светового диапазона Ж рав. но произведению числа используемых порядков интерференции Е на число линий спектра М в составе светового потока облучения, т. е.(17),11 аибольшее число устойчивых состоянийравновесия спектротроца светового диапазонанаходят из выражения2 ;т(18),где У- наибольшее число состояний устойчивого равновесия,(а) - модуль коэффициента изменения показателя преломления диэлектрической средыпластички от действия электрического поля снапряженностью Е,во - начальное значение диэлектрическойпроницаемости материала пластинки на оптических частотах при Е = О,Уо - постоянное напряжение источника питания,д - толщина пластинки 1 в сл,т - постоянцыц коэффициент, зависящийот чувствительности фотосопротивлепия б,Т,пас - значение максимальной прозрачности сконтура, соответствующее настройкессконтура в резонанс, и зависящее от качества выполнения интерферометра Фабри - Перо, 65 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 1 о - интенсивность светового потока на входе прибора,Я - добротность ссццтерферецционцого колебашгя контура,о - коэффициент, определяемый отношением величин выходных интенсивностей светового потока от ссконтура соответственно при настройке последнего ссв резонанс и поц полной его расстройке (что дается выражениями (2) ц (3) ); графически это отношение максимального значения ордццаты кривой 11 к минимальному ее значению.Выражение (18) показывает зависимость наибольшей величины устойчивых состояний спектротроца светового диапазона от свойств используемых материалов, техцолопш изготовления прибора, силы источника спектра об. лучецця, напряжения питающего источника и габаритных размеров устойчива.Подсчитано, что спектротрон светового дц апазоца может обладать несколькими тысячамц устойчивых состояний, а число устойчивых состояний радиочастотных спектротроцов, в лучшем случае, достигает нескольких десятков,Запуск радиочастотного спектротропа светового диапазона, т. с. перевод цз одного устойчивого состояния в другое, можно осуществить различными способами. Однако наиболее перспективен и практичен запуск путем воздействия ца 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 определя. ется постоянноц времени релаксации фотосопротивленця.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 ц динамических признаков состояния, то есть напряжения и частоть. Для радиочастотного спектротрона число статических ц динамических признаков одинаково и равно числу устойчивых состояний прибора (то есть числу линий спектра в составе входного сигнала), Для спектротроца светового диапазона число динамических признаков равно числу линий спектра входного светового потока и в 1, раз меньше числа устойчивых состояний прибора; число статических признаков равно числу состояний прибора. Поэтому однозначно состояние спектротрона светового диапазона может быть определено только прц использовании статических признаков (так как Е, - различным состояниям спектротроца светового диапазона отвечает один ц тот же динамический признак). Важно отметить, что пользование одцовремецно как статическими, так и динамическимипризнаками для определения номера его состояния практически ничем не уступает по надежности методу определения состояния только по динамическим признакам (как в радиочастотном спектротроне), поскольку по статическим признакам только определяется номер порядка интерференции Й, а це само состояние 5 Ф. Это исключает появление сбоев при амплитудной селекции номера а за счет некоторого дрейфа значений управлгнощих напряжений У при действии на фотоспектротрон различных дестабилизирующих факторов (изменение температуры, напряжения источника питания, старение материалов пластинки 1, фотосопротивления 6 ц сопротивления нагрузки 9 и т. д,), Указанные нежелательные явления могли бы привести к сбоям при селекции непосредственно номера состояния 5 Ф по статическим признакам, так как напряжения l и Уи 10 отличаются ца довольно малую величину, сравнимую с дрейфовым разбросом управляющего напряжения. В то же время, цапрякения Ь,ц У-; 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 ноциусной шкалы.Часть 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 0,55 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 дм 2 при сверхплотной упаковке размещается 500 спектротронов светового ди. апазона.Работа спектротроца светового диапазонасо 100 устойчивыми состояниями равновесия наиболее приемлема при использовании этих приборов в десятичных цифровых вычисли тельных машинах. В этом режиме работыбольшим достоинством спектротрона светового диапазона является простота системы цифровой индикации номера состояния прибора, например, ца световых табло с цифровой си стсмой отсчета (в виде десятичного двухразрядного чис а)Действительно, если обозначить через Х цУ числа соответствующих разрядов двухразрядного десятичного числа, где Х - число 15 единиц первого (младшего) разряда, а У -число единиц старшего разряда, то цри этомХ= - 1У=А - 1(19),20 что находится в полном согласии с выражением (12).Таким образом, выход динамических признаков управляет индикатором единиц младшего разряда, а выход статических призца ков - индикатором единиц старшего разряда т, е. цепи индикации не требуют слокных преобразователей, так как они уже разделены. Число линий спектра при этом равно 10(М=10). Для рассчитанного фотоспектро трона со 100 устойчивыми состояниями равновесия число используемых порядков интерфсрсцции У, такке равно 1 О. Порядок интерферсццпи Р, в слое прц этом составляет приблизительно величину порядка 4000, Средняя 35 длина волны линий спектра составляет в рассчитанном варианте около 5000 А. Напрякецис источника питания лежит для различных материалов пластинки 1 (например, кварца) в пределах 30 - 100 в. Величина сопротивления 40нагрузки 9 - около 1,0 - 2,0 мгом. Предмет изобретения45 Спектротрон, содержащий четырехполюсникс гребенчатой амплитудно-частотной характеристикой, охваченной петлей обратной связи, отличающийся тем, что, с целью увеличения числа его устойчивых состояний равновесия 50 при работе прибора в оптической области частот, в цем в качестве четырехполюсцика используется ццтерферометр Фабри - Перо, оолучаемый от источника когерентцых монохроматических колебаний света с линсйчатым спект ром и связанный оптически с фотосопротивлецием, которое включено последовательно с постоянным сопротивлением нагрузки, а цепь обратной связи образуется соединением его с электродами интерферометра.ипография, пр, Сапунова 2519/19ИПИ Комитета по делам изобМосква,Тираж 53 о тенин и открытииптр, пр. Серова,Подписчик Советс Министров ССС