Автореферат (Радиотехнические приёмно-преобразующие устройства оптико-электронных систем), страница 8

Для больших значений F требуются большие значения Kp. Однако, прификсированном значении потребляемой мощности от источника питания, рост Kp приводит кснижению уровня максимального входного сигнала, что снижает динамический диапазонприемного блока. Минимальные нелинейные искажения в ППУ будут иметь место в случаеиспользования оптимизации по шумам ПАВ фильтра и выходного усилителя.На основе предложенной методики оптимизации ППУ с использованием фильтров на ПАВразработан двухканальный волоконно-оптический модем передачи видеосигналов со звуковымсопровождением с использованием частотно-импульсной модуляции (ЧИМ). Полосовые фильтрына ПАВ в модеме имеют центральные частоты 40 и 60 МГц, полосы пропускания 20%, выполненына подложке ниобата лития. Применение методики оптимизации ППУ с использованиемустройств на ПАВ позволило реализовать чувствительность модема к оптическому сигналу науровне 2,0 мкВт при уровне перекрестной помехи между каналами -60 дБ.В Главе 6 «Приемно-преобразующие устройства рентгено-абсорбционных сепараторовизвлечения природных алмазов в кусках кимберлита» развит комплексный подход к решениюзадачи учета фундаментальных ограничений, определяемых ППУ рентгено-абсорбционныхсепараторов, к которым относятся: а) чувствительность фотоприемного устройства ППУсепаратора при минимальном времени интегрирования и б) ослабление электромагнитных волнрентгеновскогодиапазонаразличнымисредами:элементами,веществами,фильтрами,сцинтилляторами и иммерсионными средами.ВизмерительномблокеППУиспользуетсяпозиционно-чувствительныйдатчикрентгеновского излучения, состоящий из 2-х линеек по 128 фотодиодов, покрытых слоемсцинтиллятора оксисульфида гадолиния, легированного тербием (Gd2O2S:Tb).

Сцинтилляторпреобразует рентгеновское излучение в видимый свет, который регистрируется фотодиодами.Фотозаряды каждого фотодиода усиливаются своим операционным усилителем интегрирующеготипа и последовательно передаются сдвиговым регистром на выход. Время интегрированияфотоинтеграторами задается блоком управления, регистрации и обработки информации (УРОИ),реализованномнаПЛИС.Последовательностьотсчетов фототока передается по Ethernet сети накомпьютер, на котором используется программнаясреда LabVIEW. Применение Ethernet технологиипозволяетдистанционнорентгеновскоготребуемыеРис.

6-1. Отклик алмаза 4мм в куске кимберлита13мм, регистрируемый ППУ сепараторапроводитьизлучениятехническиеиизмеренияустанавливатьпараметры(времяинтегрирования фототока и др.). Визуализацияизмеряемойинтенсивностипроникающего31рентгеновского излучения осуществляется на экране монитора в режиме реального времени (рис.6-1). Требуемое характерное время измерения проникающего рентгеновского излучения достигаетдолей миллисекунд и меньше. Как следует из Главы 2 диссертации, для расчета чувствительностиФПУ в этом случае должны использоваться полученные выражения приближений, отличных отмодели идеального фотоинтегратора.

Выражения громоздки и реализованы в вычислительномблоке УРОИ сепаратора, функциональная схема которого представлена на рис. 6-2.Ввод данных материалаанода, типа и режимовработы рентгеновской трубкиВычисление спектральногосостава излучениярентгеновской трубкиБанк данных массовыхкоэффициентов ослабленияматериала анодарентгеновской трубкиВычисление спектральногосостава излучения послепрохождения черезвыбранные средыВвод данных материалафильтра, минерала,сцинтиллятораБанк данных массовыхкоэффициентов ослабленияразличных средВычисление спектральногосостава поглощенногоизлучения сцинтилляторамиВвод времениинтегрирования, параметровфотоинтегратора ППУ,коэффициента рентгеноэлектрическогопреобразования детектораВычисление отношениясигнал/шум на выходе ППУРис.

6-2. Функциональная схема вычислительного блока УРОИ сепаратораОслабление интенсивности рентгеновского излучения слоем вещества толщиной xопределяется законом Бугера-Ламберта: Ix=I0·exp{-μx·x}=I0·exp{-μm·ρ·x}, где μx - линейный и μm массовый коэффициенты ослабления рентгеновского излучения вещества. Величина μmхарактеризует ослабление излучения единицей массы образца и имеет размерность [μm] = см2/г.Массовый коэффициент ослабления рентгеновского излучения не зависит от плотности вещества,то есть от его физического состояния. Поэтому величины этих коэффициентов могут бытьпредставлены для всех элементов и различных диапазонов энергий рентгеновских фотонов. Внастоящее время имеется ряд таблиц, содержащих экспериментальные и расчетные значениямассовыхкоэффициентовэкспериментальныеНациональнымослабления.величиныИнститутоммассовыхВдиссертациикоэффициентовСтандартовииспользованыослабления,Технологийhttp://physics.nist.gov/PhysRefData/XrayMassCoef/cover.html.ВзависимостиопубликованныеСШАдиссертациинасайтевосновуматематической модели ослабления (поглощения + рассеяния) рентгеновского излучения ввеществе положена аппроксимация энергетической зависимости массовых коэффициентовослабления от энергии рентгеновского фотона в виде суммы двух степенных функций:32bb1  a11E 11  a12 E 12  c1 , E  Ekb21b22 2  a21E  a22 E  c2 , E  Ekгде Ek - энергия K - края поглощения.

Относительная погрешность данной аппроксимации непревышает 1% в диапазоне энергий 1-150 кэВ. Зависимость массового коэффициента ослабленияот энергии m (E ) позволяет использовать различные вещества в качестве фильтров, позволяющихменять спектральный состав проникающего рентгеновского излучения. В Таблице 6-3диссертации приведены значения коэффициентов разработанной в диссертации аппроксимациипрактически всех элементов таблицы Менделеева.Тестирование математической модели, используемой в системе, проведено путем расчета(рис.

6-3 а) и измерения (рис. 6-3 б) спектрального состава излучения рентгеновской трубки смассивным анодом из вольфрама при анодном напряжении 100 кВ.а)б)Рис. 6-3. Расчетный а) и экспериментальный б) спектр рентгеновского излучения трубки с массивныманодом изИзмеренияW 74 при анодном напряжении Va  100 кВ.183,84спектральногосоставаизлучениярентгеновскойтрубкипроводилисьрентгеновским спектрометром X-123 CdTe фирмы AmpTek. Чувствительным к рентгеновскомуизлучению элементом является сцинтиллятор CdTe (теллурит кадмия). Для измеренияспектральных характеристик излучения на спектрометр должен поступать поток единичныхфотонов. Уширение характеристических линий излучения объясняется сравнительно низкимразрешениемспектрометра,составляющим1.2кэВ.Результатырасчетовсовпалисэкспериментальными измерениями спектрального состава тормозного излучения рентгеновскойтрубки с вольфрамовым анодом с точностью 2 - 3 %, что является вполне приемлемой точностьюдля рентгеновских измерений.Глава 7 «Реализация результатов работы в промышленных и экспериментальных изделияхи системах» посвящена особенностям применения разработанных методик к проектированиюППУ промышленных и экспериментальных изделий и систем, внедрённых в народное хозяйство.При конструировании ФПУ ППУ волоконно-оптических систем, перечисленных в разделе«Реализация и внедрение результатов работы» автореферата, дополнительно к предложеннымавтором методикам потребовалась разработка принципиальных электрических схем и33конструкции ФПУ, позволяющие достижение максимальной чувствительности.

В разработанныхФПУ изменением параметров элементов схемы возможно задавать быстродействие (полосурабочих частот) и при этом чувствительность ФПУ принимает минимально возможное значение,соответствующее быстродействию. Реализация схем осуществлена по гибридно-пленочнойтехнологии. С целью обеспечения минимальных емкостей и электромагнитных наводок,конструкция ФПУ представляет единый модуль фотодетектора и усилителя.

В итоге создан целыйкласс миниатюрных фотоприёмных модулей ФПУ-01, ФПУ-02, ФПМ-НЧ, ФПМ-ВЧ, ФПМ-НЧМ,ФПМ-ВЧМ, ФПМ-АРУ, ФПМ-СМ1, ФПМ-СМ2, ФПМ-СМ1-О, ФПМ-СМ2-О. В качестве примерана рис. 7-1 приведен внешний вид волоконно-оптического модуля ФПУ-НЧ.Разработанныемалогабаритныефотоприёмныемодулиимеютчувствительность, сравнимую с лучшими мировыми образцами инашли широкое применение в аппаратуре волоконно-оптическихсистем передачи информации. Разработанные модули фотоприемныхустройств внедрены в модемы передачи телевизионного сигнала: а)студийного качества с цифровым кодированием и б) полногоцветового высококачественного телевизионного изображения сРис. 7-1.

Фотоприемноеустройство ФПУ-НЧ.использованиемчастотно-импульснойконструированиимодемовмодуляциииспользовались(ЧИМ).методикиПрирасчетачувствительности ФПУ, предложенные в диссертации. Дополнительно к практическим вопросамоптимизации чувствительности ФПУ при внедрении студийных модемов передачи телевизионныхсигналов потребовалось решение проблем: а) мультиплексирования 4-х каналов передачистереофонического звука и 2-х каналов передачи данных со скоростью 2.048 Мбит/с с низкимуровнем (ниже -70 дБ) перекрестных искажений между каналами, б) обеспечения требованийэлектромагнитной совместимости.

Эти проблемы решены моделированием в пакетах SPECCTRAQuest SI Expert (компания CADENCE), Protel DXP (компания ALTIUM), что обеспечиловысококачественную разводку многослойных печатных плат. В результате создан студийныйволоконно-оптический модем передачи видеосигнала в цифровой форме ВОМ-124, внешний видРис. 7-2. Студийный волоконно-оптическиймодем передачи видеосигнала в цифровой формеРис. 7-3.

Миниатюрный телевизионныйволоконно-оптический модем34которого представлен на рис 7-2. Дальность передачи мультиплексированного потока сотношением сигнал/шум 72 дБ составляет до 40 км при использовании лазера и одномодовоговолокна. Модемы ВОМ-124 внедрены в Центре Междугородной Связи «телецентра на Чапыгина,6» в Санкт-Петербурге, а также в телестудиях регионального телевидения в г. Уфа, Гомеле и др.Миниатюрный телевизионный волоконно-оптический модем ОМ-1 разрабатывался, восновном, для внедрения в сети промышленной безопасности и управления производством,особенностью которых является эксплуатация их в условиях сильных помех. Таким образом,дополнительными требованиями являются обеспечение электромагнитной совместимости иразработка схемотехнических решений, обеспечивающих низкую стоимость изделия.