Во вторник 03.02.2026 сотрудники нашей лаборатории Шаракин С., Белов А., Сараев Р. посетили Всероссийский НИИ оптико-физических измерений (ВНИИОФИ): плотно пообщались с директором этого института о возможных направлениях сотрудничества и погрузились в дела одной из его лабораторий — Лаборатории электронно-оптических средств измерений параметров быстропротекающих процессов.
Судя по названию, эта лаборатория очень близка к нам по роду своей деятельности — все та же оптическая регистрация транзиентов. Причем они работают не только с сигналами, изменяющимися в микросекундном диапазоне, но доходят и до нано- и пикосекунд. Конечно, справляются с этим несколько иными оптико-электронными средствами. Вместо матриц ФЭУ они строят изображения при помощи ЭОПов.
Рис. 1. Принцип действия ЭОП.
Поясню принцип действия таких приборов на элементарном уровне («для чайников»), см. также рис. 1. Принимающей поверхностью, так же как и у наших ФЭУ, является специально изготовленный фотокатод, который с определённой вероятностью (у них 15-20%) конвертирует фотон в фотоэлектрон. Этот фотокатод является входным окном устройства, получившего название электронно-оптический преобразователь, или по-простому ЭОП. И вот тут начинаются различия. Для размножения электронов (формирования коэффициента усиления) в ЭОП используются не диноды, а микроканальные пластины (МКП). Усиленный пучок с помощью сильных скрещенных (управляющих) электрических полей отправляется в определённую точку на экране, покрытом люминофором. Временное разрешение такого прибора определяется расплыванием пучка электронов во времени — чтобы значительно уменьшить это расплывание, приходится предварительно разгонять пучок в сильном электрическом поле. Все это приводит к тому, что ЭОП становится относительно «длинным» прибором, см. рис. 2, ведь необходимо место где ускорить и где отклонить (сами-то МКП тонкие). И в такую трубку уже можно смотреть со стороны люминофорного экрана — в принципе, примерно так и устроены приборы ночного видения (ПНВ). Управление можно устроить так, чтобы получать даже немного увеличенное изображение (а если есть заметная дисторсия — то и исправлять ее).
Рис. 2. ЭОП ПВ-207 (слева) и ПВ-202 (справа). Большая длина трубки позволяет достичь пикосекундного временного разрешения.
Но чтобы сделать такую трубку настоящим измерительным прибором со стороны экрана присоединяют ПЗС- или КМОП-марицу (насколько я понял, не непосредственно, а через световод-шайбу). В итоге получается уже то, что во ВНИИОФИ называют камерами, см. рис. 3. Конечно, к камерам прилагается специализированное ПО и куча всяких прибамбасов (зависит от типа камеры). В частности, при желании можно управлять и усилением (сброс усиления и т.п.).
Рис. 3. Камеры К008S (слева) и К011 (справа). Обе оптические (380-850 нм), но первая — однокадровая (+режим линейной развертки), а вторая — девятикадровая.
Правда, чтобы создать такую камеру надо ее еще долго настраивать и тестировать. И все это, и ЭОПы и Камеры, и настройки и тестирования производится непосредственно во ВНИИОФИ. Да-да, вы не ослышались в этом институте занимаются именно производством. Вот, посмотрите как выглядит устройство по изготовлению ЭОПов, рис. 4. Нам довольно подробно объяснили все этапы сборки ЭОПа в этом вакуумном агрегате. Все серьёзно.
Рис. 4. Вакуумное устройство ВНИИОФИ по сборке ЭОПов.
Следует отметить, что камеры эти непростые. Они могут работать в двух режимах – по-кадрово и в так называемом режиме линейной развертки (по англ. Streak). Ну, с по-кадровой записью мы хорошо знакомы. И тут, конечно, бросается в глаза, что высокоскоростные камеры ВНИИОФИ уступают нашим многоканальным изображающим фотометрам: они по сути делают всего один кадр. Точнее, так как они быстрые, то с помощью управления лучом вполне могут разделить зону люминофорного экрана на несколько частей и сформировать там несколько последовательных быстрых кадров (понятно, что разрешение – “количество пикселей” – при этом уменьшается). Используются варианты 1 кадра, 4-х и 9-ти кадров.
Примеры 9-кадровых изображений приведены на рис. 5. Объектом регистрации была искра в воздухе длиной ~30 мм от электрошоковой дубинки (нет-нет, нас никто ею не бил). На всех снимках в 1-м кадре хорошо видны стримеры обеих полярностей, а также зарождающиеся у электродов и прорастающие в разрядный промежуток каналы лидеров. Сброс усиления яркости при съёмке двух первых снимков был отключён, при этом видно, что, начиная со 2-го кадра, когда произошёл пробой, изменение яркости разряда во времени имеет характер, похожий на колебательный. При съёмке двух последних снимков сброс усиления яркости происходил по сигналу фотодатчика в начале яркой стадии разряда во 2-м кадре. Видно, что 2-е кадры на этих снимках насыщены заметно меньше, чем на первых двух (на последнем снимке усиление яркости было существенно увеличено для того, чтобы в первом кадре получить более яркое изображение начальной стадии разряда).
Рис. 5. Четыре снимка камеры К004М разряда от электрошока, снятые в режиме 9-ти кадров (пронумерованы). Длина искры 30 мм, длительность кадров 0.1 мкс, пауз между ними – 0.5 мкс.
На самом деле режим покадровой съемки для камер ВНИИОФИ является неосновным. Главная цель (с корням, глубоко уходящими в СССР) — снимать всякие взрывные и лазерные процессы с максимально высоким временным разрешением — гонка за пикосекунами (сейчас, говорят, на фемто уже замахиваются). Но для этого приходится чем-то поступиться. Режим линейной развёртки как раз это и делает. Он снимает лишь одномерное изображение («щель»), а по второй координате люминофорного экрана развертывает ось времени (чтобы сделать это развертывание поистине линейным приходится много повозиться на специальной наладочной аппаратуре — целое итерационное искусство). Это очень похоже на принцип работы лучевого осциллографа.
Интерпретировать такие снимки не просто. Вот посмотрите, как выглядит изображение той же искры электрошокера, снятое в режиме линейной развертки, рис. 6 (второй снимок — с увеличенным усилением яркости). Зато высокая чувствительность камеры позволяет измерять значения различных параметров сверхбыстрых процессов, например среднюю скорость свечения нисходящего лидера — в данном случае она составила 6*10^5 м/с.
Рис. 6. Два изображения разряда электрошокера в камере К004М, включенной в режиме линейной развертки (длительность развёртки 355 нс).
Конечно, нас очень интересовал вопрос, можно ли использовать такие устройства в нашей реальности. Ну, про камеры можно забыть - возиться с «зашифрованными» линейными развертками не очень хочется, да и их стоимость запредельная: она назначается ВНИИОФИ не на основе себестоимости, а по выравниванию в цене со стороны единственного их конкурента на этом рынке — небезызвестной Хамаматцу. (Кому интересно, то стоит она 10+ млн. рублей.)
Еще одна проблема — миниатюризация. Но это можно все настроить под наши задачи, так как длину трубки ЭОПа и все сложное ее устройство связано как раз с гонкой за пикосекундами. Если же остановиться в диапазоне разрешений единиц-десятков микросекунд, то никакого разгоняющего и управляющего поля не понадобится, только вставить между фотокатодом и экраном одну или две МКП (одна дает усиление порядка 10^4, две — наши целевые 10^6). На рис. 7 я демонстрирую одну из таких игрушек, созданную сотрудниками ВНИИОФИ для собственных исследовательских целей. Специалисты уверили нас, что изготовить более компактный вариант не представляет проблем.
Рис. 7. Фотография экспериментального образца ЭОПа с присоединенной ПЗС-матрицей (?); на заднем плане вы можете увидеть Романа и бороду Александра.
Пожалуй, тут самое место привести несколько цифр. Сейчас в доступе есть ЭОПы диаметром 45 и 34 мм (и насколько я понимаю, это относительно недорогие изделия — нам привели цифру 120 тыс.руб за ЭОП от изготовителя — завод «Протон» https://aoproton.ru/eop-elektronno-opticheskie-preobrazovateli/ (фигурировал еще и АО «Катод» г. Новосибирск: https://katodnv.com/catalog/, но я уже не помню в каком контексте — возможно, с точки зрения изготовления фотокатодов).
ЭОП за 120 тыс. рублей изображен на рис. 8. Главное в нем — это размер рабочей поверхности Dр.п., который у этих ЭОПов соответственно равен 25 и 18 мм. Разрешающую способность в этой технологии измеряют не в пикселях, а в так называемых п.л./мм — количество пар линий, расположенных на одном миллиметре, которые можно надежно разрешить. Короче, если считать, что это минимальное расстояние между линиями и есть размер (эффективного) пикселя, то для получения количества пикселей вдоль диаметра ЭОПа надо просто Dр.п. умножить на разрешение. Специалисты ВНИИОФИ нас заверили, что разрешение по их технологии составляет более 50 п.л./мм. Поэтому на диаметре 20 мм получается 1000 эффективных пикселей. Правда, нам столько и не надо, так как сделать такой высокоточный объектив у нас вряд ли получится (если речь идет о крупногабаритной оптике, конечно).
Рис. 8. ЭОП, изготовленный на заводе «Протон» (г. Зеленоград).
Толщина такого устройства — от фотокатода до экрана составляет всего 25 мм, но еще надо добавить 5-7 см, которые пойдут на прикрепление к экрану ПЗС-матрицы (электронные платы и высоковольтное питание выносятся сбоку).
Ну и самое главное. Такую трехчасовоую экскурсию по ВНИИОФИ и его лабораториям нам организовали директор института Филимонов Иван Сергеевич и один из их старейших специалистов Виталий Борисович Лебедев — эксперт высочайшего уровня в этом деле. Который, кстати, в начале нулевых работал вместе с одним из самых главных (тогда и сейчас) специалистов в физике молний Владимиром Раковым. В 2004 году они вместе тестировали эти камеры на полигоне во Флориде, и сделали несколько совместных публикаций в специализированном журнале SPIE. Правда, с тех пор это сотрудничество прекратилось — так же, как и публикации на эту и смежные темы. Но это уже совсем другая история...
Подробнее о приципе действия стрик-камер на ЭОПах см. здесь.
