НПП НАНОСКАН: Продукция

НПП НАНОСКАН: Продукция


Общее описание

Кадровый быстродействующий программно-аппаратный
электронно-оптический комплекс
НАНОГЕЙТ-38

для регистрации изображений в наносекундной области времени
с линейным динамическим диапазоном более 1000 при нелинейности характеристики Свет/Сигнал не более 1%


Научно-Производственное Предприятие НАНОСКАН разработало и начало производство импульсных (затворных) электронно-оптических камер (ЭОК) нового поколения, НАНОГЕЙТ-38. Их основное назначение  детальное, прецизионное исследование пространственно-временных и энергетических характеристик быстропротекающих процессов в нано - и микросекундной области времени.

ЭОК обладает возможностью регистрировать изображение с длительностью экспозиции от 60 нс до 1 200 мкс, в котором присутствуют как области с предельно малыми уровнями энергетической экспозиции, так и уровнями в тысячу раз большими. Нелинейность преобразования Свет-Сигнал в динамическом диапазоне 1:1000 составляет не более 1%.

ЭОК могут объединяться в многокамерные комплексы, управляемые от одного компьютера, для получения серии изображений быстропротекающего процесса.                            


структурная схема
Структурная схема НАНОГЕЙТ-38


Состав ЭОК:

- бипланарный (диодный) электронно-оптический преобразователь (ЭОП) с рабочим диаметром фотокатода 25 мм;

- малогабаритный высоковольтный (6… 9 кВ) формирователь, импульс с выхода которого подается между фотокатодом и экраном ЭОП. Длительность включения (длительность экспозиции) ЭОП определяется длительностью высоковольтного импульса;

- цифровая малошумящая система считывания (ЦСС) и передачи в компьютер зарегистрированного изображения с экрана ЭОП.

- проекционный объектив с масштабом переноса 1:1 и угловой апертурой 18, передающий изображение с экрана ЭОП на ЦСС.

- интерфейс связи ЭОК с управляющим компьютером.

Изображение исследуемого быстропротекающего процесса фокусируется на фотокатоде ЭОП. При поступлении на вход ЭОК сигнала Пуск, в соответствии с установленными параметрами задержки и длительности экспозиции, высоковольтный формирователь затворных импульсов подает на фотокатод импульс с амплитудой (6…9) кВ, который открывает его на установленное время в диапазоне от 60 нс до 1 000 мкс.

Изображение с экрана ЭОП через проекционный объектив передается с масштабом 1:1 на крупноформатный сенсор sCMOS ЦСС.

- Размер сенсора 22,522,5 мм;

- Число пикселей 20482048;

- Размер пикселя 1111 мкм;

- Полный заряд пикселя 91 000 e;

- Шум чтения 1,5 e.

Для стабилизации параметров сенсор термостабилизирован при температуре +5С.

На измерительных стендах НПП НАНОСКАН определяются основные параметры НАНОГЕЙТ-38: функция темнового тока и передаточная характеристика.

В НПП НАНОСКАН разработаны специальные программы

  1. Cerntrum - для компенсации неоднородности экспозиционного поля ЭОК.

  2. Iso_Line_v1.0 - для линеаризации передаточной характеристики ЭОК.

Созданная ЭОК обладает уникальной совокупностью параметров:

  • Чувствительность: одноквантовая, в том смысле, что каждый выбитый из фотокатода ЭОП фотоэлектрон обязательно примет участие в формировании конечного изображения.

  • Динамический диапазон: не менее 1400.

  • Нелинейность передаточной характеристики: не более 1 %.

  • Пространственное разрешение по 5 %‑ному критерию контраста стандарта Государственного Оптического Института РФ: не менее 980 линий на горизонтальный (вертикальный) габарит изображения.

  • Время открытия затвора: от 60 нс до 1 200 мкс

  • Нестабильность запуска ЭОК (джиттер)   не более 20 нс.

  • Минимальное время задержки пуска  100 нс.

Уникальные характеристики получены в ЭОК, в которой в одном корпусе объединены и ЭОП с малогабаритным высоковольтным формирователем затворного импульса (6…9) кВ, и малошумящая система sCMOS ЦСС.

Камера НАНОГЕЙТ-38, обладая приведенными выше фотоэлектронными и конструктивными характеристиками, на сегодняшний день не имеет аналогов в мире.


Описание работы

Устройство камеры

 Внутренний вид Камеры НАНОГЕЙТ-38


Габариты (д, ш, в) ….. 34875220 мм;

Вес, не более …………. 7 кг

Представленный вариант конструкции камеры всего лишь один из возможных, который определен требованиями конкретной задачи – минимизировать расстояние между оптическими осями трехкамерного комплекса (рис.3), управляемого с удаленного компьютера


трёхкамерный комплекс.jpg


Трёхкамерный комплекс НАНОГЕЙТ-38/3

Сенсор ЦСС чрезвычайно чувствителен к электромагнитным помехам любого типа, поэтому применена многоуровневая экранировка всех электронных блоков камеры с бесконтурной схемой заземления. Кроме того, высоковольтная и аналого-цифровая части ЭОК гальванически развязаны.

В качестве затвора в камере НАНОГЕЙТ-38 используется бипланарный (диодный) ЭОП без микроканальной пластины с мультищелочным фотокатодом. Этот выбор основан на опыте работы НПП НАНОСКАН как с ЭОП с МКП, так и с бипланарными ЭОП, а также, с различными типами фотокатодов.

Использование ЭОП с МКП в прецизионных высокоскоростных регистраторах ограничено их малым динамическим диапазоном и существенной, неконтролируемой нелинейностью передаточной характеристики МКП зависящая как от коэффициента усиления МКП, так и от уровня входного сигнала.

  • Высокий уровень шумов связан с неопределенностью коэффициента размножения первого фотоэлектрона при входе в МКП  целое число с небольшим значением. Эта неопределенность при дальнейшем усилении никак не компенсируется.

  • Нелинейность МКП вызвана ограничением количества возможных вторичных электронов в канале. Это приводит к тому, что чем выше поток входных электронов, тем меньше коэффициент усиления канала. Такая параметрическая нелинейность практически не корректируется.

К тому же, применение МКП уменьшает квантовую эффективность ЭОП в 1,4 раза, так как входные каналы МКП занимают лишь 66 % ее площади.

Выбор мультищелочного фотокатода так же не случаен. Проведенные исследования показали, что при коротких фотонных экспозициях арсенид-галлиевому фотокатоду свойственен специфический дробовой шум в виде «снега», что сильно снижает динамический диапазон камеры на его основе (рис. 4). Чем короче фотонная экспозиция, тем выше уровень указанного шума. У мультищелочного фотокатода такого эффекта не наблюдается.

Сигнал-шум камеры

Зависимость отношения сигналшум камеры от времени фотонной экспозиции 
при использовании фотокатода GaAs


Объектив переноса с апертурой 18

Разработанный в НПП НАНОСКАН проекционный объектив с масштабом переноса изображения 1:1 и апертурным углом 18 обеспечивает передачу 4 % света с люминофора экрана ЭОП диаметром 25 мм на sCMOS сенсор. Этого достаточно, чтобы световая вспышка от каждого фотоэлектрона была зарегистрирована и участвовала в формировании конечного изображения.

Проекционный объектив МК07.jpg

Проекционный объектив МК07 

Оптическая схема объектива такова, что практически не вносит в передаваемое изображение существенных искажений. Так в области переноса 0,9 от полного апертурного радиуса геометричес­кая дисторсия не превышает 0,2 %. (Рис. 5).

Ортогональная сетка, зарегистрированная камерой НАНОГЕЙТ-38


По согласованию с заказчиком фирма НПП НАНОСКАН может включить в поставляемое ПО коррекцию дисторсионных искажений, включая краевые. Применение механизма антиалиайзинга сохранит пространственное разрешение изображения после программной коррекции дисторсии.

Сенсор sCMOS относится к новому классу светочувствительных матриц  scientific CMOS  sCMOS. Такой сенсор имеет два цифровых выхода: чувствительный и стандартный. К тому же, у них малый шум чтения и высокая разрядность оцифровки (12 бит). Технология экспонирования фотодиодов со стороны подложки (BSI  back side illumination) позволяет достичь практически предельной квантовой эффективности регистрации  95 %.

Но любым CMOS-структурам свойственна нелинейность передаточной характеристики свет-сигнал. Поэтому каждая матрица проходит процедуру измерения ее характеристик и калибровки на испытательных стендах предприятия НПП НАНОСКАН. Полученные данные обрабатываются в программе Iso_Line_v1.0 , что гарантирует пользователю высокую линейность характеристики свет-сигнал во всем диапазоне экспозиций. На рисунке 6 приведены типовые характеристики сенсора sCMOS для чувствительного и стандартного каналов оцифровки.

характеристики сенсора.jpg

Типовые характеристики сенсора sCMOS для чувствительного и стандартного каналов оцифровки.


Специальное программное обеспечение

Высокое качество получаемых изображений обеспечивается не только аппаратными, но и программными средствами. В ходе предобработки используются результаты калибровки сенсора, что позволяет получить изображения высокого качества

результаты предобработки данных сенсора.jpg

Результаты лабораторных испытаний

Основными контролируемыми параметрами являются линейность функции свет-сигнал и широкий динамический диапазон.

Линейность проверяется по оптическим клиньям. Здесь для наглядности приведен простой пример контроля линейности по клину таблицы 0249бис

Результат контроля линейности.jpg

Результат контроля линейности по клину таблицы 0249бис 


Широкий динамический диапазон демонстрирует приведенная ниже серия кадров:

9. Экспозиция оптимальная.jpg
Оптимальная экспозиция

9. Экспозиция 10perc.jpg    9. Экспозиция 1perc.jpg
Экспозиция 10% от оптимальной           Экспозиция 1% от оптимальной


9. Экспозиция 0.1perc.jpg  9. Экспозиция 0.01perc.jpg
Экспозиция 0.1% от оптимальной           Экспозиция 0.01% от оптимальной


Серия изображений таблицы 0249бис при изменении экспозиций в 10 000 раз


Здесь следует обратить особое внимание на то, что даже уменьшение экспозиции в 10000 раз оставляет таблицу узнаваемой. При этом уже реализуется одноквантовый режим регистрации, когда становятся различимыми отдельные фотоэлектроны, формирующие изображение. Таким образом, камера НАНОГЕЙТ-38 не нуждается в МКП для усиления электронного изображения при регистрации сцен со сверхмалой экспозицией.

В качестве дополнительного примера сравним изображения таблицы 0249бис с изображениями, любезно предоставленными фирмой pco© (рис.. 10). Слева приведен фрагмент кадра, полученный камерой НАНОГЕЙТ-38 при экспозиции 110000 от номинальной. Справа  фрагмент кадра такого же пиксельного размера, снятый на камеру pco.dicam C1© при напряжении на МКП 1100 В. Фотонная экспозиция при этом совпадает, в обоих случаях регистрируется каждый фотоэлектрон.

сравнение камер Наногейт-38 и DiCam.jpg

Сравнение камер НАНОГЕЙТ-38 и PCO.Dicam C1©

Из-за специфики работы МКП при больших коэффициентах усиления квантовые флуктуации кадра камеры PCO.Dicam C1© заметно выше.
Здесь следует особо отметить, что одноквантовая чувствительность камеры PCO.Dicam C1© достигнута за счет большого коэффициента усиления МКП. При таком коэффициенте усиления в принципе нельзя получить «внятный» кадр регистрируемой сцены. А для камеры НАНОГЕЙТ-38 это штатный режим. То есть, сцены с однофотонной и номинальной экспозицией могут быть частью одного кадра.

Перейдем от однофотонных сцен (рис.11) к слабоосвещенным (1 % от номинальной экспозиции). Как и в предыдущем случае, слева  фрагмент кадра, полученный камерой НАНОГЕЙТ-38 при экспозиция 1100 от номинальной, справа  фрагмент такого же пиксельного размера камеры PCO.Dicam C1© при напряжении на МКП 700 В (равная фотонная экспозиция). Ниже приведены фрагменты меньшего размера в 14 габарита изображения (512512 пикселей).

Слабоосвещённые сцены.jpg

 Рис. 11 Слабоосвещенные сцены

В этом случае становится особенно заметной разница в структуре шумов. Шум камеры НАНОГЕЙТ-38 типичен для «классических» квантовых флуктуаций. А у камеры PCO.Dicam C1© шум носит кластерный характер, свойственный МКП. Такой шум делает невозможным уверенную регистрацию небольших объектов малого контраста.

И снова отметим, что для регистрации сцены с данной экспозицией для камеры pco.dicam C1© пришлось «подбирать» напряжение МКП, а камера НАНОГЕЙТ-38 регистрирует сцену «как есть».

Здесь следует отметить факт недобросовестной рекламы камер с затворами на базе ЭОП с МКП. Производители таких камер декларируют «огромный» динамический диапазон. На самом деле имеется в виду совершенно другое  диапазон регистрации. Отличие  принципиальное. Да, камеры с ЭОП с МКП способны регистрировать и сцены, формируемые отдельными фотонами, и очень яркие сцены. Но, при этом приходится менять коэффициент усиления МКП. То есть, одновременная регистрация «темного» и «яркого» принципиально невозможна.

Камера НАНОГЕЙТ-38 избавлена от такого недостатка и способна регистрировать по-настоящему контрастные сцены в одном единственном кадре.

Области применения

Ядерная физика. Обладая высокой чувствительностью и большим динамическим диапазоном, камера НАНОГЕЙТ-38 применима как для прямой регистрации изображений со сцинтилляционных детекторов, так и для получения теневых изображений с трековых детекторов (камера Вильсона, пузырьковая камера и другие). Используя затворные свойства камеры, можно получить информацию в интервале времени, представляющем наибольший интерес. Например, в нейтронографии формирование потока нейтронов сопровождается гамма-вспышкой, которую можно «пропустить», открыв затвор непосредственно перед моментом прихода на детектор нейтронов. При этом особо следует отметить, что камера НАНОГЕЙТ-38 за счет своей линейности позволяет измерять энергетические параметры процесса, что невозможно с применением ЭОП с МКП.

Импульсная рентгенография. Процесс взаимодействия рентгеновского излучения с веществом носит экспоненциальный характер, поэтому изображения, получаемые в импульсной рентгенографии, могут иметь как очень большой, так и чрезвычайно малый контраст. В обоих случаях камера НАНОГЕЙТ-38 позволит получить изображения требуемого качества. Линейность камеры позволяет корректировать неравномерность экспозиционного пучка. Это делает возможным измерение массовой нагрузки объекта (рентгенографической толщины). Для получения высокого временного разрешения можно воспользоваться затвором и «вырезать» только часть зондирующего рентгеновского импульса.

Исследование быстропротекающих процессов. Здесь камера НАНОГЕЙТ-38 может найти самое широкое применение. Простота масштабирования измерительных комплексов на ее основе позволяет использовать несколько камер для многокадровой регистрации процесса, а так же получать стереопары для анализа трехмерной структуры объекта. Линейность камеры после соответствующей калибровки позволяет проводить пирометрические исследования, то есть, получать температурную картину объекта исследований.

Пример применения: протонография. Ниже приведен пример применения камеры НАНОГЕЙТ-38 в составе протонографического комплекса Института Физики Высоких Энергий, г. Протвино, Московская область.

В качестве зондирующего излучения используются протоны с энергией 50 ГэВ. Каждый из 28‑ми протонных пакетов (банчей) формирует на сцинтилляторе вспышку длительностью 40 нс. Время между банчами  165 нс. Затвор камеры (затворный фактор более 1000) исключает влияние остальных банчей изображение, регистрируемое камерой НАНОГЕЙТ-38.

Затворный фактор ЭОП регистрации. Ниже приведен результат регистрации теневого протонного изображения тестового клина и его представление в псевдоцветах:

pic12.jpg

Регистрации теневого протонного изображения тестового клина и его представление в псевдоцветах


 Анализ относительных амплитуд ступеней клина подтвердил, что нелинейность передаточной характеристики не превышает 0,5 % (измеренное значение  0,39 %). Но особое внимание следует обратить на четыре выточки небольшого размера. Они присутствуют на всех ступенях клина и имеют контраст относительно ступени 11000, 1/500, 1330, 1200 (от нижнего левого угла ступени по часовой стрелке). Понятно, что подобные объекты не могут быть замечены на черно-белом представлении кадра. Даже на представлении кадра в псевдоцветах их видность не очень высока. Тем не менее, все выточки регистрируются камерой НАНОГЕЙТ-38.

Ниже приведен результат регистрации штриховой миры для контроля пространственного разрешения (слева) и его фрагмент (справа).

pic13 mira.jpg

Регистрация штриховой миры

Нижний центральный штриховой участок имеет контраст 18 % относительно амплитуды миры и соответствует пространственному разрешению 560 линий на изображение. Штриховой участок над ним визуально неразличим, тем не менее, контраст его штрихов составляет 0,7 % и соответствует разрешению в 1025 линий на изображение. К сожалению, шаг этой миры достаточно грубый, а регистрация ее в разных масштабах  дело затратное. С учетом того, что теневой контраст миры 22 % (из-за огромной проникающей способности протонов высоких энергий невозможно получить теневое изображение 100 % контраста), расчет пространственного разрешения, приведенный к критерию 5 % контраста стандарта Государственного Оптического Института РФ, дает 950 линий на изображение. Это не противоречит данным, полученным ранее в ходе оптических испытаний.



Задать вопрос

Ваше имя*
Ваш E-mail*
Сообщение*
Защита от автоматических сообщений
CAPTCHA
Введите слово на картинке*

Разработка

поставка и ввод в эксплуатацию программно-аппаратных комплексов НАНОГЕЙТ