Патент ссср 186770
Иллюстрации
Реферат
I8 6770
ОП ИСАН И Е
ИЗОБРЕТЕНИЯ
К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ
Союз Соеетскик
Социалистических
Республик
Зависимое от авт. свидетельства №
Заявлено 21 1 т .1965 (№ 1004231/26-24) Кл. 42m, 14/02 с присоединением заявки №
Приоритет
Опубликовано ОЗ.Х,1966. Бюллетень ¹ 19
Дата опубликования описания 31,Х.1966
МПК С 06f
УДК 681.142.07 (088.8) Комитет ло делам изобретений и открытий ори Совете Министров
СССР
Автор изобретения
О. Ф. Меньших
Заявитель
СИНХРОТРОН
Известны синхрогроны, содержащие четырехполюсник с гребенчатой амплитудной характеристикой на основе частотно-гармонической схемы совпадения, охваченный петлей обратной связи.
Предлагаемый синхротрон отличается от известного тем, что содержит интерферометр
Фабри-Перо, облучаемый импульсно-модулированными монохроматическими колебаниями света и связанный оптически с фотоэлектронным умножителем. Интегрирующая нагрузка умножителя подсоединена к входу управления по частоте перестраиваемого генератора, который соединен с электродами интерферометра.
Это позволяет увеличить его быстродействие и число устойчивых состояний равновесия при работе в оптическом диапазоне частот.
На чертеже изображена схема предлагаемого устройства, Оно состоит из перестраиваемого в пределах некоторого диапазона оптических частот колебательного контура на основе интерферометра Фабри-Перо. Интерферометр содержит плоскопараллельную пластинку 1 из пьезосегнетоэлектрического материала, покрытую полупрозрачными отражающими покрытиями 2. Последние обладают электрической проводимостью и связаны с кольцевыми электродами 3, служащими для подведения к покрытиям 2 переменного электрического поля. Кроме того, схема включает
СВЧ-перестраиваемый генератор 4, выполненный, например, на лампе обратной волны типа «О» и управляемый по частоте электрическим сигналом, образующимся на выходе интегрирующей цепи 5. Цепь, состоящая, например, из сопротивления и конденсатора, в свою очередь, связана с выходом фотоэлек10 тронного умножителя б, облучаемого световым потоком, проходящим от источника света (когерентного и монохроматического) через интерференционный «колебательный контур» при соответствующей настройке по15 следнего, определяемой режимом работы устройства.
Работает схема следующим образом.
На оптический вход устройства (показан
20 стрелками) подается световой импульсномодулированный поток. Несущая частота световых импульсов представляет монохроматическое колебание, полученное, например, от лазера непрерывного действия, Длитель25 ность световых импульсов выбирается меньше периода их следования. Частота следования световых импульсов также выбирается большой, Источник импульсно-модулированного светового потока пе входит в конструк30 цию прибора, так как он является общим
20
65 для совокупности идентичных многоустойчивсях устройсть.
В устройстве использована оптическая частотно-гармоническая схема совпадений на осноье перестраиваемого интерферометра
=,- абри-Перо.
В качестве «колеба тельного контура» з данном случае примем контур с управляемой настройкой в спектре частот, включающем спектр разложения светового импульса в интеграл соурь за сче применения пьезосегнегоэлектпи ICOKor 0 IBTeo IB.Bа пластинки 1 KokIтура, изменшощего свой показатель прелом;iå шя под действием изменяющегося электрического I îëÿ. Исходное состояние настройки контура принимается в случае отсутствия электрического поля в пластинке 1
Е =- О. При этом геометрия «контур I» подбирается при конструировании так, что QII является точно настроенным на частоту несущих колебаний световых импульсов, т. е. и:озрачеп для послед п х. Таким образо 1. прп отсутствии электрического поля в пластинке 1 на выходе «контура» образуется интенсивныи световой поток, так KBK оп максималы о прозрачен для ьходного света. Если к пласти»ке 1 приложить электрическое поле незавk cIIмо or его полярности (используя эффект второго порядка, пропорциональный .свадрату ..апряжепности поля Е), то «контур» перестраивается по частоте резонансной прозрачности. Так как спектр световых импульсов на входе устройства не изменяется, то результирующая прозрачность «контура» при этом уменьшается, т. е. уменьшается средняя энергия выходного светового потока от него. Прн соответствующем размахе напряженности электрического поля Е в пластинке 1 создаются условия, при которых
«контур» становится минимально прозрачным — выполняется условие полуцелочисленности полного порядка интерференции в слое пластинки 1 в отличие от условия целочисленности, когда «контур» максимально прозрачен для входного излучения. При выборе достаточно высокой добротности «контура» и достаточно большого спектрального расстояния (это достигается уменьшением толщины пластинки 1) он является прозрачным только в пределах узкого диапазона, что соответствует весьма малому изменению напряженности электрического поля Е в пластинке 1 относительно нулевого поля. Если подавать на электроды 3, связанные с проводящими полупрозрачными отражающими покрытиями 2, переменное напряжение от СВЧгенератора, то всякий раз, когда напряжение на электродах проходит через нуль, «контур» является максимально прозрачным для импульсно-модулированного входного светового потока. Но уже при небольших напряженностях поля прозрачность «контура» резко падает. Управляемый от CB 1-генератора - 1
«контур» является частотно-гармош|ческой схемой совпадений. Действительно, в отличие от известных импульсных схем совпадения данная система чувствительна к частоте пр ходящего сигнала (частоте светового колеб;ния в данном случае) . B то же время сВ л
«контур» также перестраивается по частом
Если имеют место совпадения частоты приходящего на схему колебания (света) и co0" ственной настройки «контура», то на выхода последнего фиксируется сигнал (световой импульс). На вход «контура» подводятся импульсно-модулированные световые колебания с монохроматической несущей частотой. Если имеются совпадения по времени ядра светового импульса с моментом, соответствующим отсутствию электрического поля Е в пластинке 1, то «контур» пропускает приходящий световой импульс на выход с минимальными потерями интенсивности. При сдвиге во времени моментов подхода к «контуру» ядра светового импульса и его оптимальнои настройки»а выходе «контура» интенсивность светового импульса уменьшается, а при достаточно большом сдвиге во времени указанных моментов — становится практически нулевой. Анализируя условия, при которых могут возникать в такой частотно-гармонической схеме совпадения оптимальной настройки «контура» с моментом прихода светового импульса, можно отметить два обстоятельства: а) частота управляющего электрического поля Е, т. е. частота работы генератора 4, дслжна быть равна или кратна частоте следования световых импульсов (режим синхро низма гармоник) и б) фаза электрического поля Е должна удовлетворять условию совпадения.
Если эти условия не выполняются, то интегральное значение светового потока, падающего от «контура» HB фотоэлектронный умножитель б, резко уменьшается.
Если характеристика фотоэлектронного умножителя линейная, то выходное напряжение на интегрирующем звене 5 представляет собою немонотонную функцию от частоты СВЧ-колебаний. С другой стороны, если полагать, что частота генератора 4 является, например, линейной функцией управляющего напряжения, подаваемого на управляющий электрод лампы обратной волны типа «0», то в результате будем иметь следующую зависи IocTb: выходное напряжение интегрирующей цепи 5 является немонотонной функцией гребенчатого типа от входного напряжения устройства управления частотой генератора 4. Таким образом, представляя данное устройство, начиная от входа СВЧ-генератора 4 и кончая выходом интегрирующего звена в виде эквивалентного четырехполюсника, отмечаем его основное свойство, заключающееся в немонотонности амплитудной характеристики, причем эта характеристика его является гребенчатой с резкими максимумами, эквидистантно распределенными по характеристике. Как известно, замыкание такого четырехполюсHèка в цепь обратной
186770 (1) (2) (4) связи приводит к образованию многоустойчивого устройства.
Действительно, если выход четырехполюсника замкнуть с его входом, то такая система будет замкнутой. Так как входное напряжение четырехполюсника при этом равно выходному (вход и выход непосредственно соединены между собой), то графически это означает, что прямая обратной связи проходит из начала координат под углом 45, пересекая немонотонную характеристику самого четырехполюсника. На оси абсцисс отложено значение входного напряжения четырехполюсника, а на оси ординат — выходного.
Число пересечений прямой обратной связи с гребенчатой характеристикои четырехполюсника соответствует числу состояний равновесия устройства Ляпунова.
Решением дифференциального уравнения для такой системы авторегулирования (первого приближения) найдено, что устойчивы лишь те состояния равновесия, которые получаются графически пересечением прямой обратной связи, имеющей производную положительного знака, с ниспадающими участками немонотонной характеристики четырехполюсника, имеющими производную отрицательного знака. Общее число устойчивых состояний равновесия в приборе равно числу
«горбов» немонотонной характеристики, пересекаемых прямой обратной связи.
Для получения большого числа устойчивых состояний равновесия в оптическом синхротроне необходимо, чтобы соблюдались следующие условия:
Т)) -., = — «
fiiF )) N, где Т вЂ” период следования световых импульсов на входе «контура»; т — длительность световых импульсов там же;
F — частота следования световых импульсов; — текущее значение частоты генератора в некотором диапазоне частоты его настройки;
N — число устойчивых состояний равновесия прибора.
Последнее неравенство указывает на относительно малую величину потребного перекрытия по частоте перестройки генератора, которая выражается коэффициентом перекрытия:
ym,„гУ„Гà — Л 1 — ЛУ12,„ где f max верхняя граничная частота диапазона перестройки;
f min нижняя граничная частота перестройки генератора.
60 б5
В выражении 5 отношение 2 f F показывает, сколько полуволн управляющего электрического поля содержится в промежутке времени между двумя смежными световыми импульсами. При изменении номера устойчивого состояния равновесия, в котором находится оптический синхротрон, изменяется и число полуволн СВЧ-колебаний в промежутке между двумя смежными световыми импульсами, всегда оставаясь целым числом.
Быстродействие оптического синхротрона определяется скоростью перестройки частоты генератора или скоростью изменения напряжения на выходе интегрирующего звена.
Чтобы система была устойчива в заданном положении равновесия, постоянная времени этого звена должна быть в несколько раз больше периода следования световых импульсов. Если перевод прибора из одного устойчивого положения равновесия осуществляется временным разрывом петли обратной связи, то быстродействие прибора практически равно 0,1 — 0,2 от частоты следования световых импульсов. Так, если длительность световых импульсов равна 10 9 сек, что легко обеспечивается при работе электрооптического затвора для излучения непрерывного лазера с помощью ячейки Керра, а число устойчивых состояний равновесия у оптического синхротрона равно 100, то для удовлетворения условий (1) — (4) при малой величине коэффициента перекрытия q по частоте генератора можно задаться максимальной частотой генератора f „„, = 200 мггц и частотой следования световых импульсов Р =
=200 кгпв. При этом коэффициент перекрытия q = 1,05, что легко создается разнообразными средствами (лампа реактивности, применение варикондов, изменение магнитной гроницаемости феррита контура генератора и т. д.). Быстродействие прибора приблизительно равно 20 — 40 кгпв, что в ряде случаев не удовлетворяет требованиям, предъявляемым к скорости работы прибора. Повышения скорости работы оптического синхротрона можно добиться увеличением частоты следования световых импульсов, если по-прежнему осуществлять перевод прибора из одного устойчивого положения равновесия в другое кратковременным разрывом петли обратной связи. Однако увеличение частоты следования световых импульсов вступает в противоречие с требованием обеспечения большого числа состояний равновесия в приборе и малого коэффициента перекрытия 1. При длительности световых импульсов 10 9 сек, десяти устойчивых состояниях равновесия и перекрытии q - 3 удается повысить частоту следования световых импульсов до 2,64.10 ev при той же верхней частоте генератора 4, т. е. 200 мггц. При этом быстродействие прибора уже достигает величины порядка 2,6—
5,2 мггц, что в большинстве случаев является вполне приемлемым результатом.
Однако кардинальное решение вопроса по увеличению быстродействия основано на использовании импульсного метода запуска прибора импульсами большой амплитуды и калиброванной площади, чтобы интегрирующее звено быстро изменяло бы энергию заряда емкости. Постоянная времени цепи запуска также выбирается много меньшей постоянной времени интегрирующего звена.
Такой метод запуска допускает наличие большого числа устойчивых состояний равновесия в приборе (например, 100 состояний) и малого коэффициента перекрытия по частоте генератора в сочетании с очень большим быстродействием прибора, практически сравнимым с частотой работы генератора 4, т. е. для увеличения быстродействия прибора необходимо укорачивать длительность световых импульсов.
В тех случаях, когда коэффициент перекрытия по частоте генератора относительно мал, а частота генерируемых в генераторе 4 колебаний находится в области метровых волн, целесообразнее генератор выполнять па триоде (или лучевом тетроде малой мощности) с установкой «контура» непосредственно в колебательный (анодный) контур генератора в качестве емкости контура.
В случае получения более коротких световых импульсов частота генерации находится в области СВЧ-диапазона, где в качестве генератора может быть рекомендована лампа обратной волны, отражательный клистрон или металло-керамическая лампа.
Одним из интересных использований прибора не как элемента вычислительной техники является применение его в устройствах с быстро перестраиваемыми частотами, кратными в какой-то частоте. Например, при частоте следования световых импульсов 200 кги, и верхней частоте генератор /„= 200 мггц для 100 устойчивых состояний прибора можно получить дискретную сетку частот (100 ча8 стот), отличающихся в пределах от 200 до
190 мгги через каждые 100 кги. Такое устройс1во может быть использовано в системах многоимпульсной когерентной радиолокации
5 с отличающимися частотами несущих колебаний зондирующих импульсов в пределах одного цикла облучения.
Небольшие габариты оптического синхротрона и его рациональное конструктивное
10 выполнение позволяют объединить ряд однотипных приборов в матрицу, освещаемую общим источником световых импульсов. Рабочая площадь прибора равна площади пластинки 1 «контура», которая может быть
15 весьма малых размеров (например, 5Х5мма).
Выходным признаком состояния прибора служит частота генерируемых в генераторе 4 колебаний, синхронная с частотой следования световых импульсов. Поэтому выходные при20 знаки состояния прибора не зависят от изменения параметров прибора и их разброса от прибора к прибору в матрице, что весьма удобно при определении номера состояния прибора.
Предмет изобретения
Синхротрон, содержащий четырехполюсник с гребенчатой амплитудной характеристикой
30 на основе частотно-гармонической схемы совпадения, охваченный петлей обратной связи, отличающийся тем, что, с целью увеличения его быстродействия и числа устойчивых состояний равновесия при работе в оптическом
35 диапазоне частот, он содержит интерферометр
Фабри-Перо, облучаемый импульсно-модулированными монохроматическими колебаниями света и связанный оптически с фотоэлектронным умножителем, интегрирующая нагрузка
40 которого подсоединена к входу управления по частоте перестраиваемого генератора, а перестраиваемый генератор соединен с электродами интерферометра.
Рыкт
Составитель В. А. Субботин
Редактор T. Ларина Техред Т. П. Курилко
Корректор E. Д. Курдюмова
Заказ 3281/1 Тираж 1075 Формат бум. 60Х9() /з
Объем 0,44 изд. л. Подписное
ЦНИИПИ Комитета по делам изобретений и открыгий при Совете Л!инистров СССР
Москва, Центр, пр. Серова, д. 4
Типография, пр. Сапунсга, 2