Poluchina Ksenia Konstantinovna,student of Ugra State University,

E-mail: hrom10@bk.ruBoronenko Marina.Petrovna,

the leading engineer of Ugra State University, E-mail: MarinaB7@yandex.ru

EXPLORATION OF TIME OF AFTERGLOW OF LUMINESCENT SCREEN ELECTRO -OPTICAL OF CONVERTER

Abstract: Using the television measuring systems, it isimportant that the time of the afterglow of the phosphor was notintroduced additional error. It is important to investigate thekinetics of decay of the luminescent screen. A video camerarecorded the thermal radiation of the moving particles. Thecamera worked in multi-exposure mode. According to the resultsof the measurement time of the afterglow was 4 ms., the resultexceeds manufacturers the time needed to complete quenching ofthe luminescence of the screen. This introduces an additionalerror in the study of fast processes.Keywords: luminescence, luminophore, the time of the

afterglow, solids, flare-up, excitation, radiation.

Полухина Ксения Константиновна, студентка Югорского государственного университета

E-mail: hrom10@bk.ruБороненко Марина Петровна,

ведущий инженер Югорского государственного университетаE-mail: MarinaB7@yandex.ru

ИССЛЕДОВАНИЕ ВРЕМЕНИ ПОСЛЕСВЕЧЕНИЯ ЛЮМИНЕСЦЕНТНОГО ЭКРАНАЭЛЕКТРОННО-ОПТИЧЕСКОГО ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ

Аннотация: При использовании ТИС на базе видеокамер с ЭОП,важно, чтобы время послесвечения люминофора, покрывающего экран,

не вносило дополнительную погрешность в измерения. В нашемисследовании видеокамера регистрировала тепловое излучениедвижущихся частиц в режиме мультиэкспозиции. Результатыизмерений времени послесвечения люминофора показали что, всреднем, время послесвечения составляет 4 мс, что превышаетзаявленное производителями время, необходимое для полногогашения свечения экрана, тем самым оно вносит дополнительнуюпогрешность при исследовании быстропротекающих процессов.Ключевые слова: люминесенция, люминофор, время послесвечения,

частицы, разгорание, возбуждение, излучение.

ВведениеЭлектронно-оптический преобразователь (ЭОП) является одним из

основных узлов телевизионно-измерительных систем (ТИС).Известно, в ТИС на базе ЭОП происходит неоднократноепреобразование одного вида излучения в другое. Одним из такихпреобразователей выступает люминесцентный экран.Излучение в люминесценции связано с возвращением возбужденной

системы в ее первоначальное состояние. Скорость такоговозвращения дает прямое указание на происходящие при этомфизические процессы. В простейшем случае можно говорить о двухвероятных путях. Если возвращение носит рекомбинационныйхарактер, то скорость процесса должна отвечать скорости течениябимолекулярной реакции, и затухание протекает в соответствии сэтим законом. Оно должно зависеть от температуры и характерапоступления в кристалл энергии возбуждения. Если же возвращениерегулируется только внутренними вероятностями переходов в самомизлучающем атоме, то окружающие условия и предыдущая история неоказывают на процесс значительного влияния. Затухание идет соскоростью мономолекулярной реакции и удовлетворяетсяэкспоненциальным законом. Усложнение вносится наложениеммногократных процессов и существованием метастабильных состоянийизлучающего атома с различной средней продолжительностью жизни.К числу факторов, меняющих затухание, следует отнести химическийсостав, тип и параметры кристаллической решетки, природуизлучающего атома, характер внедрения активатора в решетку,концентрацию активатора, число активаторов и, наконец,особенности структуры в отношении размеров зерна элементарногокристаллика и степени совершенства последних. Каждый извышеперечисленных факторов оказывает свое влияние на ходзатухания. Для большинства люминофоров яркость свечения после ихвозбуждения в вакууме электронным лучом спадает поэкспоненциальному закону.Несмотря на исключительную важность инерционных свойств

люминофоров для их практического применения, изучение этойстороны вопроса в катодолюминесценции пока далеко не достаточно.Причиной служат сложность явления и чисто практическаянаправленность большинства экспериментов. Таким образом, нетеряет своей актуальности вопрос об исследовании времени

затухания люминофоров. Целью исследования является измерениевремени послесвечения люминофорного покрытия экрана ЭОП,входящего в состав ТИС. Для реализации исследования былипоставлены следующие задачи:

регистрация движения частицы в режиме мультиэкспозиции припомощи видеокамеры ВидеоСпринт;

преобразование изображения в числовой массив данных; обработка числового массива, получение данных о скорости,

траектории и температуре движущейся частицы;В качестве диагностируемого объекта был выбран искристый огонь(бенгальский огонь), так как его горение включает в себя СВС(самораспространяющийся высокотемпературный синтез) и движениесамосветящихся объектов. В работе использованы методы оптическойпирометрии, методы теплофизических измерений, методы цифровойобработки информации, были сопоставлены теория иэкспериментальные результаты.

Экспериментальная установка и физика эксперимента.Для реализации поставленных задачи был собран

экспериментальный стенд, в состав которого входило следующееоборудование: 1- оптическая скамья; 2-бенгальский огонь; 3-камера ВидеоСпринт; 4- электронно-оптический преобразователь(ЭОП); 5-монитор; 6-системный блок; 7-клавиатура (рис. 1).

Рис. 1. Высокоскоростной микропирометрический комплексизмерения температуры и скорости распространения пламен.

Оптическое излучение бенгальского огня через объективвысокоскоростной видеокамеры ВидеоСпринт падает на фотокатод,преобразуясь в поток электронов, который усиливается намикроканальных пластинах, а затем на люминофорном экране ЭОПпреобразуется в излучение [2]. После, излучение попадает насветочувствительную область матрицы прибора с зарядовой связью(ПЗС), где происходит экспозиционное (от 20 нс до 20 мкс)накопление заряда (размер светочувствительной области -15.3*12.3мм, диагональ 19.67мм; размер пикселя - 12*12мкм).Затем происходит оцифровка данных аналого-цифровымпреобразователем (АЦП) разрядностью 10 бит; и запись видеофайлов- 8 бит. После дискретизации и квантования сигнала в АЦПизображение в памяти видеокамеры представляет собой матрицу,каждый элемент которой является пикселем определённой яркости. В любом люминофоре при увеличении содержания активатора

яркость и длительность послесвечения закономерно возрастают,достигают максимума при некоторой определенной концентрации и запределами ее быстро падают. Скорость разгорания обыкновеннорастет параллельно с повышением скорости затухания. Хотямеханизм действия примесей не установлен, можно выделить общееправило, вызванное примесями: чрезмерное увеличение числалокализованных состояний в зоне запрещенных энергий кристаллаповышает вероятность дробления отдаваемой энергии на мелкиекванты и тем понижает вероятность оптических переходов. Этоодинаково справедливо для свечения в момент возбуждения и призатухании. Из условий возбуждения на затухание могут влиятьэнергия возбуждающих электронов, плотность тока и длительностьвозбуждающего импульса. Для всех катодолюминофоров энергиявозбуждающих электронов не оказывает существенного влияния навеличину констант или форму кривой затухания. В случае полноговозбуждения между периодами разгорания и затухания существуетгоризонтальный участок кривой, отвечающий установившемусяравновесию между возбуждением и излучением. Если плотность токаслишком велика, то люминофор обнаруживает временное утомление, иожидаемый горизонтальный участок сменяется полого спадающейкривой. При слишком малой плотности тока за время импульсаполного возбуждения не наступает, и кривая разгораниянепосредственно сменяется затуханием.

При работе видеокамеры в режиме мультиэкспозиции частота вводакадров ограничивается значением, определяемой формулой,предоставленной производителем камеры:

мкс,где 1000-время послесвечения люминофора. Изучение характеристикТИС при работе в режиме мультиэкспозиции устанавливалисьмаксимально возможные параметры: количество стробирующихимпульсов Nэ =14, интервал между импульсами Iэ =44 мкс, времяэкспозиции затвора сенсора Тэ =20 мкс, частота ввода кадров Nз=1000 кадров в секунду. Время, в течении которого происходитсъемка 1 кадра в режиме мультиэкспозиции, тогда таких кадров всекунду равно 852×10-6с.При этом межкадровый интервал должен быть равен 0,000148 с,

что на порядок меньше заявленного производителями времени,необходимого для полного гашения послесвечения люминофоравремени. Тогда становиться возможным исследование кинетикипослесвечения люминофора. В качестве импульса, провоцирующегосвечение люминофора, использовалось изучение самосветящихсячастиц искристого огня. Излучение частиц, попавшее на фотокатоди усиленное у МКП.

Рис.2. Послесвечение люминофора, наблюдаемое впоследовательности кадров.

За время накопления заряда в светочувствительной областисенсора летящие светящиеся частички сдвигаются на расстояние,зависящее от их скоростей. Изображение следа искры-треканаблюдается на мониторе в виде области (линии), яркость пикселейкоторой выше фоновой яркости. Стробоскопический эффектдостигается тем, что происходит дополнительное срабатываниезатвора установленное количество раз с одним и тем жеинтервалом. Во время строб- режима длительность каждого из

импульсов, отпирающих ЭОП, определяется временем экспозициикадра. При этом на экране ЭОП формируется количествоизображений, равное числу дополнительных срабатываний затвора.Для съемки кадров использовалась четырнадцатикратнаямультиэкспозиция с интервалом от 44 мкс, поэтому трек летящейчастицы разбивается на 14 частей, в которых яркость каждогоэлемента является результатом измерения одним из группыдетекторов - фоточувствительных ячеек. Послесвечение люминофора,наблюдаемое в последовательности кадров, представлено на рис.2.Обсуждение экспериментальных данных и выводыДля определения времени послесвечения осуществлялся поиск

последовательности кадров, на которых гашениезарегистрированного на изображении следа светящегося движущегосяобъекта происходит постепенно. За время накопления заряда всветочувствительной области сенсора летящие светящиеся частичкисдвигаются на расстояние, зависящее от их скоростей. Изображениеследа искры-трека наблюдается на мониторе в виде области(линии), яркость пикселей которой выше фоновой яркости. При этомисследуемый трек и трек влетающей в область визирования частицыне должны пересекаться. Яркость пикселей, составляющих треки,измерялась в программе ImageJ. Оценку времени послесвечениявозможно получить следующим образом. Показания измеренийснимаются с группы датчиков, регистрирующих излучение одной изчастей трека частицы в каждом из кадров, на которых след ещевиден. Измеренные значения яркости нормируются посоответствующим максимальным значениям, зарегистрированнымкаждым из этих датчиков. Послесвечение люминофора, определяемоепо интенсивности сигнала в одной из частей трека,регистрируемого несколькими фоточувствительными ячейками инаблюдаемое в профилях яркостей линии, представлены на рисунках3 и 4.

Рис.3. а) Послесвечение люминофора, определяемое поинтенсивности сигнала в одной из частей трека, регистрируемогонесколькими фоточувствительными ячейками б) аппроксимацияэкспериментальных данных

Так же, оценить затухание возможно исходя из получаемыхпрофилей яркостей линии, соединяющей все сегменты наблюдаемогона последовательности кадров трека. Исходя из представленныхрезультатов, среднем, время послесвечения составляет 4 мс.Таким образом, в измерения температуры быстропротекающихпроцессов с помощью данной ТИС, вносится дополнительнаяпогрешность. Если рассмотреть треки частиц, появляющихся в поле зрения ТИС итреки, обусловленные послесвечением люминофора, то узнав, восколько раз произошло усиление сигнала, можно ввести поправочныйкоэффициент. Однако этот коэффициент должен зависеть отинтенсивностей излучения частиц и времени, которое прошло послеоставления трека частицей. Так же, в некоторых треках замечено,что зарегистрированная

Рис.4. Послесвечение люминофора, наблюдаемое в профилях яркостейлинии, соединяющей все сегменты наблюдаемого напоследовательности кадров трека.

интенсивность сигнала в первых нескольких сегментах, на которыеразбит трек, больше, чем на остальных частях. Причем, наследующем кадре -наоборот. Это может объясняться как не полнымвысвечиванием люминофора, так и особенностью движения частицы.Ответы на эти два вопроса требуют дополнительных исследований.ВыводыПо данным проведенных исследований, время послесвечения

покрывающего экран ЭОП люминофора составляет 4 мс. Такимобразом, в измерения температуры быстропротекающих процессов спомощью данной ТИС, вносится дополнительная погрешность.Поэтому, при выборе препарируемых изображений, выбираются трекичастиц с непересекающимися траекториями. Работа выполнена при частичной финансовой поддержке

Минобрнауки РФ (задание № 2014/505 на выполнение государственныхработ в сфере научной деятельности в рамках базовой части) и приподдержке внутреннего гранта Югорского государственногоуниверситета.

Список используемой литературы1. Гуляев П.Ю. Измерение скорости и температуры частиц в потоке

низкотемпературной плазмы / П.Ю. Гуляев. М.П. Бороненко,И.П. Гуляев, А.Е. Серегин // Изв. вузов. Физика. – 2014.Т.57 -№ 3/2 - С. 73-77.

2. Бороненко М.П. Использование высокоскоростной видеокамеры вмикропирометрии быстропротекающих процессов / М.П.Бороненко, А.Е. Серегин // «Естественные и математическиенауки: вопросы и тенденции развития»: материалымеждународной заочной научно-практической конференции. -Новосибирск: Изд. «СибАК». -2013. - 150 с.

3. Бороненко М.П. Экспериментальное исследованиетвердопламенного горения системы NI-AL методом скоростнойвидеосъемки / М.П. Бороненко, Л.Ю. Атюцкая, А.Г.Бебия //«Physical, mathematical and chemical sciences: theoreticaltrends and applied studies» Materials digest of the LIInternational Research and Practice Conference and I stageof the Championship in physical, mathematical and chemicalsciences (London. May 21 - May 26.2013, P 34-38.

4. Бороненко М.П. Оптическая диагностика дисперсионного составатопливно-воздушного факела / М.П. Бороненко, Л.Ю. Атюцкая,А.Г. Бебия, А.Е. Серегин // Фундаментальные исследования. -2013.- № 8-6.- С. 1297-1302.

5. Гуляев П.Ю. Методы контроля температуры и скорости частицконденсированной фазы в процессе плазменно-дуговогонапыления / П.Ю. Гуляев, И.П. Гуляев, М.П. Бороненко, А.И.Демьянов, А.В. Долматов, В.И. Иордан, В.Н. Коржик, И.В.Кривцун, М.Ю. Харламов // Фундаментальные исследования. -2013. -№ 10 (часть 6).- С. 1194-1199.

6. Гуляев П.Ю. Виртуальные системы микропирометрии процессовсамораспространяющегося высокотемпературного синтеза наоснове программ Origin и ImageJ / П.Ю. Гуляев, М.П.Бороненко // Ползуновский альманах. – 2012. - № 2. - С. 45– 47.

7. Гуляев П.Ю. Моделирование виртуальных наночастиц исупрамолекулярных систем в учебном курсе квантово-химическихрасчетов / П.Ю. Гуляев, К.А. Ермаков // Ползуновский

альманах. – 2012. - № 2.- С.125 – 128. 8. Гуляев П.Ю. Определение фундаментальной диаграммы потока

ламинарного плазмотрона с постоянной подачей порошка / П.Ю.Гуляев Бороненко М.П.,., Трифонов А.Л. // Вестник Югорскогогосударственного университета, 2012, № 2 (25), С. 16-20.