В обзоре обсуждаются различные объяснения эффекта Саньяка и причины возникновения систематических погрешностей лазерного гироскопа (ЛГ). Показано, что «гироскопический эффект» в ЛГ, как и в любом другом гироскопе, обусловлен наличием у системы до её вращения определённого момента импульса, который, стремясь сохраниться при вращении этой системы относительно инерциальной системы, занимает иное положение в системе и изменяет её энергию. В рамках классической теории определены: квантовый предел чувствительности ЛГ, аддитивная погрешность масштабного коэффициента ЛГ и показано, что «зона захвата» на выходной характеристике обусловлена прецессией момента сил вокруг вектора угловой скорости, действующего на свет в кольцевом резонаторе.
Different explanations of the Sagnac effect and cause of the systematic errors of the laser gyro (LG) are discussed. Here is shown that the “gyroscopic effect” in LG, as in any other gyroscope, exists due to the presence of certain momentum of light in a resonator up to its rotation. Due to conservation law of momentum with rotation of the resonator with reference to the inertial system this momentum took a different position in the system and changes its energy. The classical theory allowed us to determine the quantum restriction of sensitivity of LG, an additive error of the scale factor of LG and to show that the “zone of capture”, or “dead zone” on the output characteristics of LG exists due to the precession of vector of momentum around the angular velocity vector, acting on light in the ring laser resonator.
Идентификаторы и классификаторы
Основные выводы обзора сводятся к следующим положениям.
1. Формула Саньяка справедлива, только когда момент импульса кольцевой волны света M || , можно пренебречь изменением характеристики за счёт прецессии, а в резонаторе — бесконечные плоские фазовые фронты излучения.
2. Измерение угловой скорости необходимо проводить, складывая действие переменной «частотной подставки» ЛГ с измеряемой медленно меняющейся угловой скоростью в тот момент времени, когда «масштабный коэффициент» почти равен своему максимальному расчетному значению, а угол между этими векторами мал. Так, в Алерте, при горизонтальном расположении ЛГ, угол мал.
3. С помощью лазерного гироскопа, осевой контур которого расположен горизонтально, можно измерять географическую широту местности.
4. С помощью лазерного гироскопа, осевой контур которого расположен на Земле вертикально, в экстремальных позициях по зонному углу , можно находить направление географической долготы, или ось Север-Юг.
5. Большинство разработчиков всё ещё связывают «зону захвата» ЛГ исключительно с рассеянием света на некачественных зеркалах, что неверно. Из наших исследований следует, что обычно она значительно меньше провозглашаемой (например, менее 0,1 Гц вместо 1 кГц).
6. Определены некоторые систематические погрешности ЛГ, в том числе аддитивная погрешность «масштабного коэффициента» ЛГ за счёт неплоского волнового фронта излучения в резонаторе.
7. Уточнена предельная чувствительность ЛГ.
Список литературы
1. Harress F. Die Geschwindigkeit des Lichtes in Bewegten Korpern: Dissertation (1911), Jena.
2. Sagnac M. G. R. Acad. Sci. 1913. Vol. 157. P. 708.
3. Sagnac M. G. R. Acad. Sci. 1913. Vol. 157. P. 1410.
4. Sagnac M. G. J. Phys. — Paris. Ser. 1914. Vol. 54. P. 177.
5. Малыкин Г. Б. // Успехи физических наук. 2000. Т. 170. № 12. С. 1325.
6. Берштейн И. Л. // Доклады академии наук СССР. 1950. Т. 75. С. 635.
7. Высоцкий В. И. и др. // Успехи физических наук. 1994. Т. 164. С. 309.
8. Hasselbach F., Nicklaus M. Phys. Rev. A. 1993. Vol. 48. P. 143.
9. Neutze R., Hasselbach F. Phys. Rev. A. 1998. Vol. 58. P. 557.
10. Werner S. A., Staudenmann J. L., Collena R. Phys. Rev. Lett. 1979. Vol. 42. P. 1103.
11. Dresden M., Yang C. N. Phys. Rev. D. 1979. Vol. 20. P. 1846.
12. Riehle F. et al. Phys. Rev. Lett. 1991. Vol. 67. P. 177.
13. Lenef A. et al. Phys. Rev. Lett. 1997. Vol. 78. P. 760.
14. Gustavson T. L., Bouyer P., Kasevich M. A. Phys. Rev. Lett. 1997. Vol. 78. P. 2046.
15. Wallace A. “Electromagnetic wave gyroscopes or angular velocity measuring system”. US Patent No. 3102953 (Sep. 3, 1963, filed Jul.9, 1958).
16. Вугальтер Г. А., Малыкин Г. Б. // Известия вузов. Радиофизика. 1999. Т. 42. С. 373.
17. Newburgh R. G. et al. Proceedings of IEEE. 1974. Vol. 62. P. 1621.
18. Малыкин Г. Б. // Известия вузов. Радиофизика. 1998. Т. 41. С. 767.
19. Фатеев В. Ф. Способ измерения параметров углового движения // А.С. № 1461183 с приоритетом от 09.01.1987.
20. Фатеев В. Ф. // Успехи современной радиотехники. 2010. № 3. С. 23.
21. Экспресс-информация № 36 (852) от 31.12.1986. ОЦАОНТИ (МИЭА).
22. Эйнштейн А. // Собрание сочинений. Т. 1. — М.: Наука (1965), с. 313. [Einstein A. Astron Nach. (1914), 199, 8].
23. Логунов А. А., Чугреев Ю. В. // Успехи физических наук. 1988. Т. 156. С. 137.
24. Ландау Л. Д., Лифшиц Е. М. Теория поля. — М.: Наука, 1973.
25. Алексеев В. В., Яковлев А. В., Яковлев А. В. // Инженерная физика. 2009. № 2. С. 42.
26. Мелкумян Б. В. // Прикладная физика. 2009. № 5. С. 137.
27. Melkoumian B. V. // Proceedings of SPIE. 2007. Vol. 6736. P. 67360D-1.
28. Melkoumian B. V. // Proceedings of SPIE. 2005. Vol. 5978. P. 5978-1Q.
29. Melkoumian B. V. // Proceedings of SPIE. 2000. Vol. 4348. P. 4348-02.
30. Ландау Л. Д., Лифшиц Е. М. Механика. — М.: Наука, 1973.
31. Мелкумян Б. В. Автореферат дисс. к. ф.-м. н. — Москва, ВНИИЦПВ, 1992.
32. Мандельштам Л. И. Лекции по оптике, теории относительности и квантовой механике. — М.: Наука, 1972.
33. Macek W. and Davis D. // Appl. Phys. Letters. 1963. Vol. 2. P. 67.
34. Melkoumian B. V. Proceedings of SPIE. 1999. Vol. 4064. P. 4064-05.
35. Heer C. V. // Phys. Rev. 1964. Vol. 134. No. 4A. P. A799.
36. Померанцев Н. М., Скроцкий Г. В. // Успехи физических наук. 1970. Т. 100. № 3. С. 361.
37. Ищенко Е. Ф. Открытые оптические резонаторы. — М.: Радио и Связь, 1980.
1. F. Harress, Die Geschwindigkeit des Lichtes in Bewegten Korpern (Dissertation, Jena, 1911).
2. M. G. Sagnac, R. Acad. Sci. 157, 708 (1913).
3. M. G. Sagnac, R. Acad. Sci. 157, 1410 (1913).
4. M. G. Sagnac, J. Phys. – Paris. Ser. 54, 177 (1914).
5. G. B. Malykin, Physics-Uspekhi 170, 1325 (2000).
6. I. L. Bershtein, Doklady Akademii Nauk SSSR 75, 635 (1950).
7. V. I. Vysotskiy et al., Physics-Uspekhi 164, 309 (1994).
8. F. Hasselbach and M. Nicklaus, Phys. Rev. A 48, 143 (1993).
9. R. Neutze and F. Hasselbach, Phys. Rev. A 58, 557 (1998).
10. S. A. Werner, J. L. Staudenmann, and R. Collena, Phys. Rev. Lett. 42, 1103 (1979).
11. M. Dresden and C. N. Yang, Phys. Rev. D, 20, 1846 (1979).
12. F. Riehle et al., Phys. Rev. Lett. 67, 177 (1991).
13. A. Lenef et al., Phys. Rev. Lett. 78, 760 (1997).
14. T. L. Gustavson, P. Bouyer, and M. A. Kasevich, Phys. Rev. Lett.78, 2046 (1997).
15. A. Wallace, US Patent No. 3102953 (Sep.3, 1963, filed Jul. , 1958).
16. G. A. Vugalter and G. B. Malykin, Izvestiya Vuzov. Radiofizika 42, 373 (1999).
17. R. G. Newburgh et al., Proceedings of IEEE 62, 1621 (1974).
18. G. B. Malykin, Izvestiya Vuzov. Radiofizika 41, 767 (1998).
19. V. F. Fateev, Authors invention certificate of USSR, No. 1461183, priority date: 09.01.1987.
20. V. F. Fateev, Uspekhi Sovremennoi Radiotechniki, No. 3, 23 (2010).
21. Express-information OCAONTI (MIEA), No. 36 (852), (1986). [in Russian].
22. A. Einstein, Astron Nach., 199, 8 (1914).
23. A. A. Logunov and Yu. V. Chugreev, Physics-Uspekhi 156, 137 (1988).
24. L. D. Landau and E. M. Lifshits, Theory of Field. (Moscow: Nauka, 1973) [in Russian].
25. V. V. Alexeev, A. V. Yakovlev, and A. V. Yakovlev, Inzhenernaya Fizika, No. 2, 42 (2009).
26. B. V. Melkoumian, Prikl. Fiz., No. 5, 137 (2009).
27. B. V. Melkoumian, Proceedings of SPIE, 6736, 67360D-1 (2007).
28. B. V. Melkoumian, Proceedings of SPIE, 5978, 5978-1Q (2005).
29. B. V. Melkoumian, Proceedings of SPIE 4348, 4348-02 (2000).
30. L. D. Landau and E. M. Lifshits, Mechanics. (Moscow: Nauka, 1973) [in Russian].
31. B. V. Melkoumian, Candidate Dissertation of Phys.—Math. Sci. Degree (Ph. D.) (Moscow, VNIICPV, 1992).
32. L. I. Mandelshtam, Lections on Optics, Relativity and Quantum Mechanics. (Moscow: Nauka, 1972) [in Russian].
33. W. Macek and D. Davis, Appl. Phys. Letters 2, 67 (1963).
34. B. V. Melkoumian, Proceedings of SPIE 4064, 4064-05 (1999).
35. C. V. Heer, Phys. Rev. 134, A799 (1964).
36. N. M. Pomerantsev and G. V. Skrotskiy, Physics-Uspekhi 100, 361 (1970).
37. E. F. Ishchenko, Open Optical Resonators (Moscow, Radio i Svyaz’, 1980) [in Russian].
Выпуск
С О Д Е Р Ж А Н И Е
ОБЩАЯ ФИЗИКА
Головин А. И., Шлойдо А. И. Современные генераторы пучков электронов для технологических применений (обзор) 439
ФИЗИКА ПЛАЗМЫ И ПЛАЗМЕННЫЕ МЕТОДЫ
Григорьева И. Г., Савелов А. С., Салахутдинов Г. Х. Зависимость спектра рентгеновского излучения плазмы микропинчевого разряда от материала анода разрядной системы 449
Ирхин И. В., Сухачевский А. А., Попов О. А. Экспериментальное исследование влияния вращения разрядной колбы на характеристики серной СВЧ-лампы высокого давления 454
Корсунов К. А., Калюжный Г. С., Лыштван Е. Ю. Расчет характеристик плазмотрона с помощью уравнения Эленбааса-Геллера 461
ФОТОЭЛЕКТРОНИКА
Яковлева Н. И., Болтарь К. О., Седнев М. В., Никонов А. В. Исследование свойств фотоприемных устройств на основе гетероэпитаксиальных структур InGaAs, предназначенных для формирователей 3D-изображений 465
Климанов Е. А. Образование термодефектов в кремнии, выращенном бестигельной зонной плавкой 471 Тарасов С. А., Ламкин И. А., Михайлов И. И., Евсеенков А. С., Соломонов А. В. Селективные ультрафиолетовые фотоприемники на основе барьера Шоттки «мeталл─AlGaN» 480
Деомидов А. Д., Полесский А. В., Семенченко Н. А., Соломонова Н. А., Тресак В. К. Исследование точности измерения спектральной характеристики видимо-слепого фотоприемника на основе AlGaN методом Монте-Карло 485
Пермикина Е. В., Кашуба А. С. Характеристики пассивирующего покрытия CdTe, нанесенного на эпитаксиальный слой HgCdTe 493
ФИЗИЧЕСКАЯ АППАРАТУРА И ЕЕ ЭЛЕМЕНТЫ
Мурзин В. А., Маркелов С. В., Ардиланов В. И., Афанасьева И. В., Борисенко А. Н., Иващенко Н. Г., Притыченко М. А., Митиани Г. Ш., Борисенко А. А., Вдовин В. Ф. Астрономические ПЗС-системы для 6-метрового телескопа БТА (обзор) 500
Мелкумян Б. В. Безроторный гироскоп с моментом импульса (обзор) 507
Полесский А. В., Юдовская А. Д. Анализ требований к фотоприемному тракту для установок измерения пятен рассеяния на основе матричных фотоприемных устройств 517
Ли И. И., Половинкин В. Г. Об оптимизации конструктивных параметров тепловизионного ИК-микроскопа 523
ПЕРСОНАЛИИ
Юбилей академика В. И. Пустовойта 529
Юбилей Л. М. Василяка 530
ИНФОРМАЦИЯ
Правила для авторов 532
Подписка на электронную версию журнала 535
C O N T E N T S
GENERAL PHYSICS
A. I. Golovin and A. I. Shloydo Modern electron beam generators for technological applications (a review) 439
PLASMA PHYSICS AND PLASMA METHODS
I. G. Grigoryeva, A. S. Savelov, and G. Kh. Salakhutdinov The micropinch discharge plasma X-ray spectral characteristics in relation to the anode material of a discharge system 449
I. V. Irkhin, А. А. Sukhachevsky, and О. А. Popov Discharge bulb rotation effects on the high pressure sulfur micro-wave lamp characteristics 454
К. А. Korsunov, G. S. Kaliuzhnyi, and Ye. Yu. Lyshtvan Calculation of characteristics of a plasmatron using the Elen-baas-Geller equation 461
PHOTOELECTRONICS
N. I. Iakovleva, K. O. Boltar, M. V. Sednev, and А. V. Nikonov Performance of SWIR ADP FPAs based on InGaAs heterostructures for 3D-aplications 465
Е. А. Klimanov Formation of thermodefects in the silicon grown by crucibleless zone melting 471
S. A. Tarasov, I. A. Lamkin, I. I. Mikhailov, A. S. Evseenkov, and A. V. Solomonov Selective UV photodetectors based on the Me-AlGaN Schottky barrier 480
A. D. Deomidov, A. V. Polesskiy, N. A. Semenchenko, N. A. Solomonova, and V. C. Tresak Using the Monte Carlo method for an uncertainty analysis of a spectral response measurement of FPA based on AlGaN 485
E. V. Permikina and A. S. Kashuba Properties of the passivating CdTe film deposited on a HgCdTe epilayer 493
PHYSICAL EQUIPMENT AND ITS ELEMENTS
V. A. Murzin, S. V. Markelov, V. I. Ardilanov, I. V. Afanasieva, A. N. Borisenko, N. G. Ivashchenko, M. A. Pritychenko, G. Sh. Mitiani, A. A. Borisenko, and V. F. Vdovin Astronomical CCD systems for the 6-meter telescope BTA (a review) 500
B. V. Melkoumian Unrotor gyro with momentum (a review) 507
A. V. Polesskiy and A. D. Yudovskaya Analysis of requirements to a photo receiving path for measuring a spot of confusion by FPA 517
I. I. Lee and V. G. Polovinkin Optimization of design parameters for the IR thermal imaging microscope 523
PERSONALIA
Academician V. I. Pustovoyit — 80 years 529
Anniversary Date of L. M. Vasilyak 530
INFORMATION
Rules for authors 532
Subscription to an electronic version of the journal 535
Другие статьи выпуска
В работе проводится анализ температурного и пространственного разрешения ИК-микроскопа, регистрирующего собственное тепловое излучение объектов исследования, в зависимости от основных конструктивных параметров оптической системы микроскопа и фотоэлектрических параметров ИК ФПУ.
Анализ требований к фотоприемному тракту для установок измерения пятен рассеяния на основе матричных фотоприемных устройств
Специальная астрофизическая обсерватория РАН имеет многолетний опыт разработки систем регистрации изображений, включая ПЗС-контроллеры и криостатируемые камеры с крупноформатными малошумящими матричными фотодетекторами. В обзорной статье рассмотрены принципы построения ПЗС-систем для фотометрии и спектроскопии на 6-метровом оптическом телескопе БТА (Большой Телескоп Азимутальный). ПЗС-системы обеспечивают близкие к предельным чувствительность и фотометрическую воспроизводимость в длинноэкспозиционных методах наблюдений слабых астрономических объектов за счет цифровой оптимальной фильтрации видеосигнала ПЗС-матрицы, стабилизации и линеаризации передаточной характеристики «свет-цифровые отсчеты» в реальном времени считывания кадра. Разработанные ПЗС-контроллеры универсальны и позволяют управлять одиночными ПЗС-матрицами, КМОП-приемниками и инфракрасными матричными детекторами, а также мозаиками таких приборов в любых практически возможных конфигурациях.
Представлены результаты исследований пассивирующего покрытия из теллурида кадмия, нанесенного на поверхность ГЭС КРТ методом «горячей стенки». Показано, что с увеличением толщины пассивирующего слоя CdTe улучшается его кристаллическая структура. Установлено, что химическая обработка поверхности ЭС КРТ перед пассивацией улучшает электрофизические свойства границы раздела HgCdTe/CdTe. Представлен механизм роста теллурида кадмия на КРТ.
Проведена оценка точности измерения границ спектральной чувствительности по уровню сигнала 0,1, длины волны максимальной чувствительности и коэффициента использования для матричных фотоприемных устройств на основе AlGaN. Исходными данными для расчета являлись требования нормативной документации к точности измерения спектральной характеристики опорного фотоприемника, а также данные о шумах фотосигналов. Оценка точности, полученная с помощью математического моделирования методом Монте-Карло, показала наличие систематической погрешности при выполнении измерений, а также значительное влияние ошибок измерений на расчет коэффициента использования. Вместе с тем стоит отметить, что в реальных условиях измерения суммарный вклад случайных и систематических ошибок составляет не более 7 %, что существенно меньше величины, приведенной в нормативной документации.
Созданы селективные фотоприемники на основе барьера Шоттки Ме-AlGaN, работающие в ультрафиолетовом диапазоне спектра. С целью повышения фоточувствительности в УФ-диапазоне и устранения паразитных сигналов в длинноволновом диапазоне были изготовлены селективные фотодиоды на основе барьеров Шоттки Ag-AlGaN различного состава. Это позволило создать видимослепые фотоприемники, длинноволновый край фоточувствительности которых лежал на длинах волн менее 350 нм. Ширина спектра фоточувствительности на полувысоте находилась в диапазоне 15—40 нм в зависимости от толщины слоя Ag, которая варьировалась от 15 до 150 нм. Правильный выбор состава твердого раствора AlxGa1-xN позволил увеличить фотоответ и дополнительно уменьшить ширину спектра фоточувствительности на полувысоте до 11 нм путем совмещения максимумов спектра пропускания Ag и спектра поглощения эпитаксиального слоя. Чувствительность составила 0,071 А/Вт. Сочетание эффектов широкозонного окна и надбарьерного переноса позволило создать на основе структур Au-AlGaN ультраселективные УФ-фотоприемники с полушириной спектра фоточувствительности 5—6 нм для диапазона длин волн 350—375 нм с чувствительностью до 140 мА/Вт. На основе структуры с верхним эпитаксиальным слоем AlxGa1-xN (с содержанием AlN x = 0,1 и x = 0,06) созданы селективные фотоприемники с максимумом фоточувствительности при длинах волн 355 нм и 362 нм. Использование дополнительного менее широкозонного слоя GaN позволило независимо регулировать коротковолновую и длинноволновую границы диапазона чувствиительности.
В работе обсуждаются причины образования термодоноров (ТД) и термоакцепторов (ТА) в кремнии с низкой концентрацией кислорода, выращенном методом бестигельной зонной плавки. Анализ результатов термообработок в диапазоне температур 400—1150 оС показывает, что основной вклад в образование ТД вносят атомы межузельного железа. Вероятной причиной образования ТА при высокотемпературной термообработке (ВТО) являются атомы железа в положении замещения и преципитаты железa, образующиеся при низкотемпературных отжигах (НТО)(400—600о). Концентрации ТД и ТА после ВТО зависят от вида и плотности структурных дефектов в материале и условий ТО: скорости охлаждения и газовой среды (кислород, аргон).
Проведены исследования матричных фотоприемных устройств формата 320256 элементов на основе четырехслойных гетероструктур р+-B-n-N+-типа с широкозонным барьерным слоем. Гетероэпитаксиальные структуры (ГЭС) с поглощающим узкозонным слоем InGaAs n-типа проводимости выращивались методами мосгидридной эпитаксии (МОСГЭ) на подложках InP. С помощью четырехкомпонентного тонкого слоя AlInGaAs n-типа с градиентным изменением ширины запрещенной зоны устранен разрыв между поглощающим (In0,53Ga0,47As) и барьерным (In0,52Al0,48As) слоями. Использование дельта-легированных слоев в составе гетероструктуры позволило уменьшить барьер в валентной зоне и устранить немонотонность энергетических уровней. Проведены экспериментальные исследования темнового тока, среднее значение которого по матрицам фотодиодов с шагом 30 мкм не превышало 10 фА.
Приведены результаты расчета характеристик электрической дуги в воздухе на основе решения уравнения Эленбааса-Геллера. Расчетные данные сравниваются с экспериментальными характеристиками плазмотрона с вихревой стабилизацией дуги. Сделан вывод о возможности расчета параметров таких плазмотронов при небольших расходах газа на основе рассмотренной модели.
Проведено экспериментальное исследование влияния скорости вращения разрядной колбы безэлектродной серной лампы высокого давления на её излучательные характеристики. Плазма возбуждалась в смеси паров серы (5—6 атм) и аргона (20 Торр) на сверхвысокой частоте (СВЧ) 2,45 ГГц и мощности магнетрона 90—540 Вт в кварцевой сферической колбе диаметром 35 мм, размещенной в цилиндрическом резонаторе диаметром 73 мм и высотой 147 мм. Установлено, что форма и положение плазмы СВЧ-разряда в колбе, а также спектр оптического излучения плазмы определяются скоростью вращения разрядной колбы. Увеличение скорости вращения сдвигает спектр плазмы в сторону длинных волн, повышает освещенность и снижает температуру стенок колбы, цветовую температуру и общий индекс цветопередачи плазмы. Экспериментально установлена граница устойчивого и неустойчивого режимов разряда, определяемая граничной мощностью магнетрона, уменьшающейся с увеличением скорости вращения разрядной колбы. Обсуждаются способы получения устойчивого СВЧ-разряда в парах серы высокого давления в неподвижной колбе.
Проведены исследования рентгеновского излучения плазмы микропинчевого разряда на установке типа «низкоиндуктивная вакуумная искра» в зависимости от элементного состава материала анода разрядной системы. Установлена зависимость параметров плазмы и вид спектра рентгеновского излучения от элементного состава материала анода разрядной системы. Эксперименты показали, что с ростом атомного заряда ядра Z материала анода разрядной системы увеличивается электронная температура Te плазмы и возрастает интенсивность жесткого рентгеновского излучения.
В обзоре представлено современное состояние генераторов пучков электронов для технологических применений. Представлены как импульсные, так и стационарные генераторы, работающие на различных физических принципах. Обзор предназначен для специалистов, чьей основной специальностью не являются пучки электронов, однако пучки могут быть полезны для реализации тех или иных технологических процессов. Основная цель обзора — представление современной литературы по генерации пучков электронов и их применению для реализации различных технологических процессов.
Издательство
- Издательство
- АО "НПО "ОРИОН"
- Регион
- Россия, Москва
- Почтовый адрес
- 111538, г Москва, р-н Вешняки, ул Косинская, д 9
- Юр. адрес
- 111538, г Москва, р-н Вешняки, ул Косинская, д 9
- ФИО
- Старцев Вадим Валерьевич (ГЕНЕРАЛЬНЫЙ ДИРЕКТОР)
- E-mail адрес
- orion@orion-ir.ru
- Контактный телефон
- +7 (499) 3749400