Проекты

Система синхронизации на основе механического модулятора оптического сигнала

Работа призёра открытой городской научно-практической конференции «Инженеры будущего» в секции «Прикладная физика» среди работ учащихся 10−11 классов

Направление работы: Физика плазмы
Авторы работы: ГБОУ «Школа № 1747»
Предметы: Физика
Классы: 10 класс
Мероприятия: Открытая городская научно-практическая конференция «Инженеры будущего» 2020 года

Актуальность

Синхронизация элементов распределённых систем является классической задачей во многих отраслях промышленности и науки. Существует множество вариантов её решения. В настоящей работе предлагается вариант синхронизации работы частей плазменной электрофизической установки в части регистрации оптического излучения из плазменного объёма.

Микроволновая плазма, получаемая в этой установке, в зависимости от условий разряда может использоваться в качестве источника оптического излучения, рентгеновского излучения и заряженных частиц.

Параметры плазмы импульсного разряда динамически изменяются с течением времени, поэтому требуются методы диагностики с достаточным временным разрешением. Характерные длительности импульсного разряда имеют порядок единиц миллисекунд, поэтому для наблюдения динамики изменения состояния плазмы требуется временное разрешение не менее десятой доли миллисекунды. Одним из методов является регистрация оптического излучения и получение спектров этого излучения. Эти спектры представляют собой распределение интенсивности излучения по длинам волн и несут информацию о состоянии атомов и ионов плазмообразующего газа.

Для регистрации изменения спектров с течением времени можно использовать механический оптический затвор – обтюратор, который нужно синхронизировать с импульсными генераторами установки так, чтобы излучение попадало в канал регистрации в нужный интервал времени.

Цель

Провести модельный эксперимент для выявления возможностей механического обтюратора при синхронной регистрации оптического излучения, определить границы применимости механического обтюратора с точки зрения минимально достижимой длительности окна наблюдения излучения.

Задачи

1. Смоделировать канал регистрации излучения из плазменного объёма при помощи полупроводникового лазера, обтюратора с блоком управления и регистратора излучения на основе фототранзистора и осциллографа.

2. Ознакомиться с принципом действия обтюратора и научиться задавать алгоритм его работы при помощи блока управления.

3. Ознакомиться с основными принципами действия лазера и фотоприёмника, усвоить правила безопасной работы с оборудованием.

4. Овладеть основами осциллографических измерений, научиться синхронизировать осциллограф, измерять параметры регистрируемых импульсных сигналов (амплитуда, полуширина).

5. Провести модельный эксперимент, выявить зависимость измеренной полуширины импульса регистрируемого излучения от настроек работы обтюратора, показать возможности метода задания временного окна при помощи механического обтюратора.

Оснащение и оборудование, использованное при создании работы

  • Электронный цифровой осциллограф Tektronix TDS-2024
  • Оптический прерыватель потока излучения и его блок управления OPTICAL CHOPPER OCV-4800FD
  • Полупроводниковый лазер
  • Самоцентрирующийся держатель
  • Фотоприёмник на основе фототранзистора

Описание

Для разработки и отладки системы синхронизации плазменного ускорителя необходимо предварительно провести натурное моделирование процессов в модельном эксперименте. Плазменный ускоритель – это весьма сложная и довольно энергоёмкая установка, поэтому настройка и отладка его системы синхронизации в рабочем режиме сопряжена не только с техническими сложностями, но и с опасностью выхода из строя оборудования и питающих сетей.

Для проведения модельного эксперимента была предложена конфигурация, в которой плазменный источник регистрируемого излучения мы заменили на полупроводниковый лазер. Это объясняется тем, что вывод излучения из плазменного объёма будет осуществляться через световод, а устройства крепления торца световода конструктивно очень похожи на держатель, используемый для фиксации лазера. Конечно, лазер светит практически параллельным пучком, а у световода пучок выходного излучения расходящийся, однако при близком взаимном расположении световода и обтюратора можно добиться малых размеров пятна излучения в плоскости обтюратора.

В качестве фотоприёмника при регистрации излучения из плазмы необходимо будет использовать фотоэлектронный умножитель (ФЭУ), а в случае с получением спектров излучения – монохроматор с ФЭУ, однако при использовании в модельном эксперименте лазера можно взять гораздо менее чувствительный фотоприёмник на основе фототранзистора.

Механический модулятор светового потока представляет собой непрозрачный диск с прорезями, вращающийся вокруг неподвижной оси при помощи электропривода. Частотой и фазой вращения привода, а следовательно, и длительностью временного окна вывода излучения управляет контроллер привода в блоке управления OPTICAL CHOPPER OCV-4800FD.

В качестве регистратора сигнала с фотоприёмника был использован электронный цифровой осциллограф Tektronix TDS-2024.

На подготовительном этапе была проведена большая работа по изучению описаний оборудования и получению навыков работы с ним. Отдельное внимание было уделено правилам техники безопасности.

Для устранения влияния ламп дневного света на регистрируемые сигналы все опыты проводились при выключенном внешнем освещении.

Одна из важнейших задач эксперимента – узнать, какие ограничения накладывает выбранная модель системы синхронизации на величину временного окна вывода излучения. Для этого была проведена серия экспериментов по измерению полуширины Full Width at Half Maximum (FWHM) пика сигнала излучения, регистрируемого после его прохождения через диск обтюратора.

Результаты работы / выводы

В результате проделанной работы создана экспериментальная установка, освоены методы работы с оборудованием и проведен модельный эксперимент, показавший возможность синхронизированной регистрации излучения во временном окне свыше 100 мкс. Указаны причины отклонения полуширины регистрируемого излучения от расчётного значения при малых длительностях временного окна.

Перспективы использования результатов работы

На основе проведённого модельного эксперимента и полученных знаний и навыков можно приступить к экспериментам по синхронной регистрации излучения из плазменного объёма.

Сотрудничество с вузом/учреждением при создании работы

Российский университет дружбы народов