Оптические устройства измерения в физике высоких плотностей энергии

 
ФГУП «Российский федеральный ядерный центр –  
Всероссийский научно-исследовательский институт экспериментальной физики» 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
О. М. Таценко, В. Д. Селемир, А. Н. Моисеенко, А. В. Филиппов, 
И. М. Маркевцев, Е. А. Бычкова, С. В. Галанова 
 
 
 
Оптические устройства измерений в физике  
высоких плотностей энергии 
 
Монография 
 
 
Под редакцией члена-корреспондента РАН В. Д. Селемира,  
доктора физико-математических наук Ю. Б. Кудасова  
и доктора физико-математических наук О. М. Таценко 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Саров  
2020 

 
УДК 681.7; 535.082.5 
ББК 22.34 
О-62 
 
 
Рецензенты: 
доктор техн. наук, профессор, гл. научный сотрудник – советник  
Объединенного института физики высоких температур РАН  Е. Ф. Лебедев;  
доктор техн. наук, профессор, зав. лаб. физики  
высоких плотностей энергии (ФВПЭ)  
Института гидродинамики СО РАН  Г. А. Швецов 
 
 
Таценко О. М., Селемир В. Д., Моисеенко А. Н., Филиппов А. В.,  
Маркевцев И. М., Бычкова Е. А., Галанова С. В. 
 
 
О-62 
Оптические устройства измерений в физике высоких плотностей энергии: Монография / [О. М. Таценко и др.]; под ред. В. Д. Селемира, Ю. Б. Кудасова, О. М. Таценко. – Саров: РФЯЦ-ВНИИЭФ, 2020. –
213 с., ил. 
 
ISBN 978-5-9515-0419-7 
 
В данном издании рассмотрены основные принципы работы оптических устройств, предназначенных для проведения измерений тока, 
напряжения, магнитного поля и других параметров в мощных электрофизических устройствах. Здесь излагаются полученные с помощью расчетов и экспериментов физические основы методов измерения их оптических и электрических характеристик. 
Книга предназначена для студентов и аспирантов физико-технических специальностей, а также для научных работников и инженеров, 
занятых проблемами физики высоких плотностей энергии, и будет полезна при разработке редакции экспериментов в интенсивно развивающейся области современной физики. 
 
УДК 681.7; 535.082.5 
ББК 22.34 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
ISBN 978-5-9515-0419-7                                  ФГУП «РФЯЦ-ВНИИЭФ», 2020 

СОДЕРЖАНИЕ 
 
Предисловие …………………………………………………………………... 
5
Глава 1. Основные принципы работы оптического устройства  
для измерений в физике высоких плотностей энергии …...…………….. 
9
1.1. Физические принципы ……………………………………………... 
9
1.2. Блок-схема оптического устройства измерений …………………. 12
1.3. Источники света ……………………………………………………. 13
1.4. Импульсный газовый лазер на ксеноне и аргоне ………………… 16
1.5. Оптический тракт …………………………………………………... 24
1.6. Регистрирующая аппаратура ……………………………………… 32
1.7. Временное разрешение оптического устройства ………………… 34
1.8. Определение погрешности измерений ……………………………. 36
Глава 2. Магнитооптический метод измерений …………………………. 42
2.1. Магнитооптический метод измерения магнитного поля ………... 42
2.1.1. Эффект Фарадея в диамагнетиках …………………………... 42
2.1.2. Влияние ширины спектра на модуляцию  
интенсивности света ………………………………………………… 45
2.1.3. Выбор полосы пропускания регистрирующей аппаратуры … 46
2.1.4. Постановка мегагауссных экспериментов ………………….. 49
2.1.5. Измерение магнитного поля в одновитковом соленоиде ….. 59
2.1.6. Измерение слабых магнитных полей ~ 0,01 – 1,0 Тл ……….. 63
2.1.7. Измерение магнитных полей ~1000 Тл  
в генераторах МК-1 …………………………………………………. 66
2.1.8. Рекордная величина магнитного поля, измеренная  
в генераторе МК-1 …………………………………………………... 82
2.1.9. Оптические методы измерений мультимегагауссных полей  
~ 40 – 100 МГс ……………………………………………………...... 86
2.2. Магнитооптический метод измерения тока ……………………… 93
2.2.1. Измерение тока оптическим датчиком магнитного поля ….. 93
2.2.2. Измерение тока одномодовым световодом …………………. 96
2.2.3. Измерение импульсов тока в диапазоне 0,1 – 100 МА ……... 98
2.2.4. Измерение импульсов тока в диапазоне 10 – 103 кА ……...... 104
2.3. Калибровка волоконно-оптических датчиков тока ……………… 106
Глава 3. Применение оптических методов для регистрации  
мегаамперных токов в различных взрывных устройствах  
и мощных электрофизических установках ………………………………. 118
3.1. Магнитооптический метод измерения токов короткого  
замыкания в жилах силовых кабелей …………..................................... 118
3.2. Результаты применения магнитооптического измерения токов  
в экспериментах по моделированию токового импульса молнии …... 120
3.3. Результаты применения оптического метода измерения тока  
в плазменных прерывателях ………………………................................ 126

Содержание 
 
4
3.4. Результаты использования оптического метода для диагностики 
полного тока проволочного лайнера в устройстве для формирования 
импульса мягкого рентгеновского излучения ………………………... 131
3.5. Результаты измерения тока до 100 МА волоконно-оптическим  
датчиком ………………………………………………………………… 138
Глава 4. Оптические методы регистрации динамики схлопывания  
и параметров сжатия обжимающей оболочки …………………………… 142
4.1. Измерение внутреннего диаметра обжимающей оболочки  
генератора МК-1 ………………………………………........................... 142
4.2. Оптическая методика регистрации скорости движения оболочки,  
основанная на эффекте Доплера ………………………………………. 146
4.3. Регистрация динамики имплозии лайнера в рентгеновском  
диапазоне спектра с помощью оптических волокон …………………. 149
4.3.1. Регистрация пространственно-временной динамики  
излучения z-пинча в мягком рентгеновском диапазоне ………….. 150
4.3.2. Результаты экспериментов по отработке диагностического  
узла на лабораторной электрофизической установке …………….. 153
4.3.3. Регистрация интегрального по пространству  
свечения МРИ ……………………………………………………….. 157
4.4. Спектрально-временной метод исследования сжатия  
оптического датчика давления ………………………………………… 160
Глава 5. Электрооптический метод измерения электрического поля, 
высокого напряжения и СВЧ-излучения …………………………………. 166
5.1. Эффект Поккельса в сегнетоэлектрических кристаллах ………… 166
5.2. Измерение напряженности электрического поля ………………... 170
5.3. Электрооптический метод диагностики СВЧ-излучения ……….. 178
5.4. Измерение высокого напряжения ………………………………… 185
Глава 6. Оптическое поглощение в кварцевых оптоволокнах  
при импульсном облучении высокоэнергетичными γ-квантами ……… 188
6.1. Исследование влияния импульсного ионизирующего излучения  
на величину оптических потерь кварцевых световодов ……………... 188
6.2. Оптические потери при экспозиционной дозе облучения ~ 300 Р .. 190
6.3. Оптические потери при совместном действии пучка электронов 
и квантов тормозного излучения (ТИ) при дозе радиации ~ 200 крад .. 200
6.4. Исследование воздействия радиационного излучения  
на поляризацию света в световоде …………………………………….. 203
Список литературы ………………………………………………………….. 205
 

 
Предисловие 
 
Современное развитие фундаментальной и прикладной физики в значительной степени определяется исследованиями на мощных электрофизических установках (ЭФУ) с высокой плотностью электромагнитной энергии. 
Это относится, например, к проведению экспериментов по исследованию высокотемпературной плазмы, управляемого термоядерного синтеза, к созданию 
источников мощных потоков рентгеновского, микроволнового, лазерного излучений и т. п. [1 – 6]. 
Для обеспечения работы ЭФУ используются различные источники их 
питания: генераторы импульсного напряжения (ГИН), генераторы импульсного тока (ГИТ), конденсаторные батареи, взрывомагнитные генераторы (ВМГ), 
работающие на принципе магнитной кумуляции с использованием энергии 
взрыва взрывчатых веществ (ВВ) и преобразованием ее в электромагнитную 
энергию. 
Для измерения электрических параметров ЭФУ традиционно используются методы, основанные на законах электромагнитной индукции (зонды  
и пояса Роговского) и законе Ома (шунты и делители напряжения) [7 – 9]. Но 
эти методы не всегда эффективны при измерении сверхвысоких величин 
электрических параметров: тока 100 МА, магнитного поля 
3
10

 Тл и т. п.  
и используются, как правило, в тех случаях, когда датчики находятся под потенциалом «земли». Кроме того, подобные методы чувствительны к электромагнитным помехам, возникающим при работе ЭФУ, что оказывает существенное влияние на результаты измерений. 
Оптические методы, основанные на магнитооптических эффектах Фарадея и Поккельса, имеют ряд преимуществ перед традиционными. Передача 
информации по каналам оптической связи обеспечивает гальваническую развязку между исследуемой электрической цепью и чувствительной измерительной аппаратурой. 
Эффекты Фарадея и Поккельса практически безынерционны (время отклика этих физических явлений 
10
10

с). Поэтому временное разрешение 
оптических датчиков ограничено только временем прохождения света по ячейке, что позволяет проводить измерения с высоким временным разрешением, 
вплоть до наносекундного диапазона. Оптические методы особенно перспективны для исследования физических процессов, протекающих в условиях 
сильных электромагнитных помех, возникающих, например, при грозовом 
разряде, размыкании высоковольтных цепей, в магнитокумулятивных генераторах (МКГ) и т. д., и позволяют проводить измерения на узлах, находящихся 
под высоким электрическим потенциалом. 
Магнитооптический и электрооптический эффекты были открыты и достаточно полно исследованы еще в конце XIX века. Но только достижения 
последних десятилетий, такие как создание высококачественных источников 
света (лазеров), полупроводниковых фотоприемников и цифровой регистри

Оптические устройства измерений в физике высоких плотностей энергии 
 
6
рующей аппаратуры с высокой чувствительностью и широкой полосой пропускания 100 МГц и выше, а также использование высококачественных 
кварцевых оптоволокон в оптическом тракте устройства позволили обеспечить 
бурный рост оптических методов измерений физических параметров ЭФУ. 
Оптические методы измерений достаточно полно представлены в литературе [10 – 13]. Однако в этих публикациях не отражена и не используется 
универсальность оптического метода измерений тока, высокого напряжения, 
индукции магнитного и напряженности электрического полей, которая основывается на линейности эффектов Фарадея и Поккельса. Их линейность позволила создать универсальное устройство, в котором используются различные 
оптические датчики, а система оптического тракта и регистрирующей аппаратуры остается неизменной. Кроме того, в процитированных работах не показана возможность использования многоканальности измерений на различных 
длинах волн зондирующего света, которая позволяет обеспечить высокую 
степень достоверности результатов в условиях сильных электромагнитных 
помех, световых потоков и т. п., возникающих, например, при работе ВМГ. 
В Научно-производственном центре физики (НПЦФ) РФЯЦ-ВНИИЭФ 
на протяжении последних десятков лет (с 1966 г.) разрабатываются и применяются оптические методы измерений электрических параметров ЭФУ. 
В данной книге основное внимание уделено оптическим методам измерений электрических параметров: тока (10 кА – 100 МА), высокого напряжения (10 кВ – 1,5 МВ), индукции магнитного поля (0,01 –
3
10 Тл) и напряженности 
электрических полей (10 кВ/м – 3,5 МВ/м). Границы диапазонов измерений  
и временное разрешение оптического устройства определяются чувствительностью оптических датчиков и возможностями регистрирующей аппаратуры. 
Чувствительность датчиков магнитного поля и тока зависит от константы 
Верде, материала ячейки Фарадея и длины пути света по ней. Чувствительность датчиков электрического поля и высокого напряжения зависит от величины электрооптического коэффициента кристалла и длины пути света  
по ячейке Поккельса. Константа Верде и электрооптический коэффициент,  
в свою очередь, зависят также и от длины волны зондирующего света [14]. 
Путем соответствующего подбора материала ячеек Фарадея и Поккельса, их 
размера и длины волны зондирующего света достигнута реализация оптических датчиков для измерений в указанном диапазоне. 
Нижняя граница диапазона измерений (10 кА, 10 кВ, 0,01 Тл и 10 кВ/м) 
связана с достигнутой чувствительностью реализованных нами оптиче- 
ских датчиков (300 А/угл. град., 300 В/угл. град.,  0,0003 Тл/угл. град. и 
300 В/м  угл. град.) и возможностью регистрации относительно небольших 
углов поворота плоскости поляризации зондирующего света (практически 
начиная с десяти угл. град.). Верхняя граница диапазона измерений (100 МА, 
1,5 МВ, 
3
10 Тл и 3,5 МВ/м) определяется оптическими датчиками с более 
низкой 
чувствительностью 
(10 кА/угл. град., 
10 кВ/угл. град., 
1,0 Тл/угл. град. и 10 кВ/м  угл. град.) и возможностью регистрации угла 
поворота плоскости поляризации зондирующего света до тысячи и более угловых градусов [15]. 

Предисловие 
 
7
При рассмотрении электрооптического метода измерения электрических 
полей представлены схемы регистрации не только параметров одиночных высоковольтных импульсов, но и характеристик сверхвысокочастотного излучения с частотой  3 ГГц [16]. 
Одна из глав книги посвящена результатам применения волоконнооптического метода регистрации мегаамперных токов в различных взрывных 
устройствах и мощных электрофизических установках [2, 17, 18]. 
Результаты наших измерений магнитного поля в генераторе сверхсильных магнитных полей МК-1 на разных длинах волн зондирующего света 
(0,6328; 0,690 и 0,846 мкм) экспериментально подтвердили независимость 
константы Верде для тяжелого флинта ТФ-5 и кварца КУ-1 от величины магнитного поля в области оптического спектра  0,6 – 0,85 мкм для магнитных 
полей с индукцией до 
3
10  Тл [15]. 
В книге описан генератор сверхсильных магнитных полей, на котором 
оптическим методом зарегистрировано рекордное по величине магнитное поле 2800 Тл [18]. Предложены оптические методы измерения полей  4000 –
10000 Тл, основанные на эффекте Фарадея в плазме и на использовании циклотронного поглощения [1]. 
Особое внимание в книге уделено оптическим методикам регистрации 
динамики схлопывания и параметров сжатия обжимающей оболочки, включающих регистрацию динамики лайнера в рентгеновском диапазоне с помощью 
оптических волокон [19], измерение скорости движения оболочки, основанное на эффекте Доплера [20]; спектрально-временной метод исследования 
сжатия оптического датчика давления [21]. 
В оптических методах часто и обоснованно применяются полупроводниковые и гелий-неоновые лазеры с мощностью излучения 10 – 50 мВт.  
Но эти источники света можно использовать только при работе с фотоприемниками, у которых полоса пропускания регистрации модулированного оптического сигнала не выше 100 МГц. Фотоприемники более высокого временного 
разрешения  0,1 – 1,0 нс, типа ФЭК, имеют более низкую чувствительность 
10 мА/Вт [22]. Поэтому для работы с фотоприемниками высокого временного разрешения требуется более мощный источник света, не ниже нескольких 
ватт. Такому источнику необходимо иметь гладкую «беспичковую» форму 
импульса, которая не должна искажать модуляцию интенсивности света, обусловленную эффектами Фарадея или Поккельса. В связи с этим, для регистрации магнитных полей 
4
10  Тл с временным разрешением меньше наносекунды нами был создан источник монохроматичного света с линейной поляризацией и гладкой формой импульса генерации, мощностью излучения 
до 500 Вт на ксеноне и до 10 Вт на аргоне при длительности импульса генерации  5 – 10 мкс с длиной когерентности светового потока 10 см и угловой расходимостью 
4
2 10

рад. 
Важным фактором, который оказывает существенное влияние на работу 
волоконно-оптического тракта и оптических датчиков устройства, является 
воздействие на них мощных потоков ионизирующего излучения, которое воз

Оптические устройства измерений в физике высоких плотностей энергии 
 
8
никает в процессе работы ЭФУ. Большая часть публикаций, посвященных 
этой теме, относится к работам, выполненным в условиях длительного (иногда несколько часов) радиационного воздействия от ядерных реакторов или  
от радиоактивных источников относительно невысокой мощности [23 – 27].  
В нашей книге рассматривается зависимость величины оптических потерь, 
возникающих в различного вида оптоволокне под воздействием мощного импульса ионизирующего излучения длительностью импульса 15 – 20 нс на полувысоте при экспозиционной дозе радиации от 100 Р до 200 кР [28]. Исследования проводились на разных длинах волн зондирующего света (от 0,5 
до 1,5 мкм). 
Книга написана авторами из РФЯЦ-ВНИИЭФ, представителями коллектива НПЦФ, которым руководит член-корреспондент РАН В. Д. Селемир. 
За основу книги взят материал из научных трудов А. Н. Моисеенко, 
В. Д. Селемира, О. М. Таценко, Д. А. Маслова, Ю. В. Власова, Ю. Б. Кудасова, В. В. Платонова, А. В. Филиппова и др. 
Авторы признательны А. Е. Дубинову и Л. Н. Пляшкевичу за обсуждение вопросов, затронутых в книге, и полезные замечания. 
Большую помощь в оформлении материалов и редактировании книги 
оказал Л. Н. Пляшкевич. 
 

Глава 1 
Основные принципы работы оптического устройства 
для измерений в физике высоких плотностей энергии 
 
Физический принцип работы оптического устройства измерения тока, 
высокого напряжения и напряженности магнитного и электрических полей 
основан на использовании магнитооптического (Фарадея) и электрооптического (Поккельса) эффектов [14]. Для определения характеристик рассматриваемого оптического устройства и выработки требований к его оптическим 
датчикам рассмотрим физическую сущность магнитооптического и электрооптического эффектов. 
 
 
1.1. Физические принципы 
 
Воздействие внешнего магнитного или электрического поля на оптический кристалл или стекло вызывает в них изменение диэлектрической проницаемости, которое приводит к появлению индуцированного двупреломления. 
Если линейно-поляризованный пучок света разложить на две ортогональные 
компоненты с линейной поляризацией, как в случае эффекта Поккельса, или 
на две компоненты с круговой поляризацией, как в случае эффекта Фарадея, 
то различие показателей преломления вызовет в прошедшем через устройство 
пучке света сдвиг фаз обеих компонент световой волны [29]. Поляризационное действие магнитооптической или электрооптической ячейки следует рассматривать как разложение входной поляризации зондирующего света на два 
собственных состояния с соответствующими им амплитудами и фазой. На 
выходе из оптической среды эти компоненты световой волны вновь складываются, что в итоге и определяет конечное состояние поляризации вышедшего 
пучка света. 
При рассмотрении эффектов Фарадея или Поккельса электромагнитное 
поле светового луча, распространяющегося в оптическом кристалле или стекле, называется зондирующим полем. Внешнее магнитное или электрическое 
поле, действие которого и приводит к изменению показателя преломления  
и возникновению индуцированного двупреломления, носит название ориентирующего поля [14]. 
В общем виде изменение показателя преломления при воздействии 
внешнего электрического или магнитного поля можно записать в виде соотношения: 
2
...,
n
F
F



                                          (1) 
где n – изменение показателя преломления, F – напряженность внешнего 
электрического или магнитного поля, ,  и  – коэффициенты. Все указанные величины являются тензорами. В случае, когда F означает напряженность 
электрического поля, а   0 и   0, эта формула описывает эффект Пок