Смотровое окно с высокой степенью защиты от гамма-нейтронного излучения и возможностью изменения параметров прибора наблюдения
ОПТИЧЕСКОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ И ТЕХНОЛОГИЯ
УДК 681.7.067.5: 627.7.066.35
СМОТРОВОЕ ОКНО С ВЫСОКОЙ СТЕПЕНЬЮ ЗАЩИТЫ ОТ ГАММА-НЕЙТРОННОГО ИЗЛУЧЕНИЯ И ВОЗМОЖНОСТЬЮ ИЗМЕНЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ ПРИБОРА НАБЛЮДЕНИЯ
© 2013 г.
В. И. Арбузов*, доктор физ.-мат. наук; В. Л. Кузовая**; И. П. Полякова**, канд. техн. наук; А. Э. Пуйша**, канд. техн. наук
** Всероссийский научный центр “Государственный оптический институт им. С.И. Вавилова”, *м Санкт-Петербург
** Научно-производственная корпорация “Государственный оптический институт **им. С.И. Вавилова”, Санкт-Петербург
Смотровые окна приборов наблюдения, которые используются при проведении работ с использованием высокоинтенсивного гамма-нейтронного излучения или в экстремальных условиях, в том числе при ликвидации последствий аварий на предприятиях атомной энергетики, должны обеспечивать необходимый уровень защиты операторов и наибольший угол наблюдения местности. Разработанные соотношения толщины специальных оптических материалов позволяют достигать коэффициента ослабления гамма-излучения до 5000 раз при мощности дозы до 5×106 Р/ч. Применение оптических компонентов с растрово-коническими структурами создает возможность расширения угловых полей и изменения направления осей визирования без изменения габаритно-компоновочных параметров.
Ключевые слова: оптический прибор наблюдения, стеклоблок, поле зрения, поле обзора, растрово-конические оптические элементы, ось визирования, радиационнооптическая устойчивость стекол.
Коды OCIS: 120.4640
Поступила в редакцию 20.04.2012
При проведении работ с использованием высокоинтенсивного гамма-нейтронного излучения смотровые окна специальных камер должны обеспечивать необходимый уровень защиты операторов и наибольший угол наблюдения. Такие смотровые окна могут использоваться в качестве приборов оптического обзора механика-водителя бронемашин различного типа, работающих в экстремальных условиях, в том числе при ликвидации последствий аварий на предприятиях атомной энергетики.
Проблема повышения угловых полей зрения и обзора при одновременном повышении защитных свойств является ключевой проблемой при разработке смотровых приборов для техники, используемой в чрезвычайных ситуациях.
В настоящее время существуют два типа приборов наблюдения [1, 2]. Это смотровое окно (рис. 1), в котором оптические оси на вхо-
де и выходе системы совпадают. Такие приборы состоят из двух групп плоско-параллельных пластин, предназначенных для ослабления гамма-нейтронного излучения. На входе и выходе системы расположены защитные стекла. Входное защитное стекло таких приборов может иметь поперечный размер порядка 140×320 мм. Используются также и призменные перископические приборы статического обзора для бронированных машин, состоящие из призм и пластин с перископичностью 250–300 мм, с поперечным размером входного окна порядка 50×120 мм.
Приборы наблюдения должны обеспечивать противорадиационную защиту наблюдателей и обладать радиационно-оптической устойчивостью к поражающим факторам ионизирующего излучения с экспозиционной дозой гамма-излучения не менее 5×105 Р. Поэтому сте-
“Оптический журнал”, 80, 1, 2013
49
2shor 2whor
2sver 2wver
(а)
dg dn Z′
(б)
dg dn Z′
Рис. 1. Принципиальная оптическая схема смотрового окна. Горизонтальное сечение – а, вертикальное сечение – б. dg – общая толщина первой группы пластин по ходу луча, dn – общая толщина второй группы пластин по ходу луча, Z′ – расстояние от плоскости наблюдения до последней поверхности оптической системы. shor, sver – угловые поля обзора, соответственно, в горизонтальной и вертикальной плоскостях, whor, wver – угловые поля зрения, соответственно, в горизонтальной и вертикальной плоскостях.
клоблок этих приборов состоит не менее чем из двух частей, выполненных из различных оптических материалов, например, крон-флинт серии 200 или оргстекло-флинт серии 200.
Угловые поля обзора местности и угловые поля зрения приборов определяются поперечными размерами защитных стекол и расстоянием от плоскости наблюдения до последней поверхности оптической системы (Z′). В табл. 1 приведены основные оптические параметры приборов обоих типов.
Повышение степени защиты от гамма-нейтронного излучения Первая по ходу светового луча группа пластин (рис. 1) с общей толщиной dg состоит из содержащего свинец оптического стекла с большим коэффициентом поглощения g-излучения mg. Вторая группа пластин с общей толщиной dn выполнена из полимерного оптического ма-
Таблица 1. Основные оптические параметры приборов наблюдения
Оптические параметры
Смотровое окно
Прибор статического
обзора
размеры входного окна, мм
140×320
50×120
Z′, мм
угловое поле обзора в горизонтальной плоскости, 2σhor, град
угловое поле обзора в вертикальной плоскости, 2sver, град
угловое поле зрения в горизонтальной плоскости, 2whor, град
угловое поле зрения в вертикальной плоскости, 2wver, град
100,0 120
50
52
18
100,0 80
30
36
7
териала с большим коэффициентом поглощения нейтронного излучения. Между толщинами обеих групп пластин выполняется соотношение dg = (1,1–1,9)dn. Суммарная толщина вдоль оптической оси пластин первой группы определяется зависимостью
dg = ln Kg/mg,
(1)
где Kγ – кратность ослабления g-излучения, mg – коэффициент поглощения g-излучения оптическим стеклом.
В качестве оптического стекла, содержа-
щего свинец, может быть использовано новое
оптическое стекло марки ТФ18112, обладаю-
щее уникальными свойствами. В табл. 2 приведены основные параметры стекла ТФ18112 по
Таблица 2. Основные параметры стекол ТФ1812 и ТФ105
Параметры
ТФ105
ТФ18112
содержание PbO, мол % плотность, г/см3
35,0 4,77
40,0 4,31
lbound, нм ne
ne Доза, Р 1×105 1×106 1×107
450 355
1,7617
1,6941
27,32
38,1
DD
0,088
0,017
0,285
0,070
– 0,103
50 “Оптический журнал”, 80, 1, 2013
сравнению с ближайшим аналогом – стеклом марки ТФ105 [3].
Как видно из таблицы, стекло ТФ18112 при увеличенном содержании оксида свинца имеет меньшую плотность и значительно расширенный в коротковолновую область рабочий спектральный диапазон (до lbound = 355 нм). Кроме того, под действием ионизирующего излучения с дозой до 1×106 Р образец стекла ТФ18112 толщиной 1 см имеет значительно меньшее приращение оптической плотности DD в видимой области спектра, чем стекло ТФ105, а при дозе 1×107 Р величина DD у стекла ТФ18112 меньше, чем у ТФ105 при дозе 1×105 Р.
В изготовленном макете смотрового прибора вторая группа пластин выполнена из полимерного оптического материала СО-120. Суммарные толщины пластин первой и второй групп равны dg = 220 мм и dn = 150 мм соот ветственно, при этом выполняется соотношение dg = 1,466dn.
Как показали проведенные испытания, данный смотровой прибор может быть использован в условиях воздействия g-излучения с мощностью дозы до 5×106 Р/ч с коэффициентом ослабления g-излучения до 5000 раз при наличии нейтронного излучения с энергией нейтронов более 2 МэВ.
Каждая группа пластин с толщинами, соответственно, dg, dn может быть склеена в единый блок и заклеена защитными пластинами из оптического стекла К208 с просветляющими покрытиями на наружных поверхностях. В этом варианте светопропускание всей системы стеклоблока увеличивается с t = 0,32 (вариант без склейки пластин) до 0,45.
оптической оси. Однако у смотровых окон специальных камер возможность увеличения размеров входных окон ограничена возможностями поставки высококачественного оптического стекла серии 200 или ТФ18112 больших диаметров, а уменьшение общей толщины стеклянных пластин приводит к снижению защитных свойств стеклоблока. В перископических приборах статического обзора увеличение габаритных размеров призмы приводит к увеличению размеров отверстия для установки приборов в машине и, как следствие, к снижению прочностных характеристик машины: уменьшение перископичности приборов невозможно по конструктивно-компоновочным требованиям размещения приборов внутри машины, а уменьшение общей толщины пластин вдоль оптической оси снижает защитные параметры прибора.
Наиболее перспективным направлением развития приборов наблюдения с возможностью изменения углового поля зрения является использование оптических элементов с растровыми коническими структурами (РКС). Они представляют собой плоскую пластину из оптически прозрачного органического материала, на одну из поверхностей которой нанесена растровая коническая структура, эквивалентная стеклянной линзе с отрицательной оптической силой. Линзы РКС могут располагаться на входе, в середине и на выходе оптической системы прибора.
На рис. 2 показана принципиальная опти ческая схема перископического прибора наблюдения с возможным расположением линз
Изменение углов наблюдения
Возможности изменения угловых полей обзора и зрения полезны для приборов обоих типов – как для смотровых окон специальных камер, так и для приборов статического обзора. Особенно это актуально для перископических приборов, установленных на подвижных носителях, например, в бронированных машинах. Размер непросматриваемой зоны вокруг машины достигает примерно 20–30 м, что является неприемлемым при работе в экстремальных условиях и в ограниченных пространствах.
Увеличение углов наблюдения возможно за счет увеличения поперечных размеров входных окон и уменьшения размеров приборов вдоль
2sver 2wver
L1
L2 L3
Z′
Рис. 2. Принципиальная оптическая схема прибора статического обзора с линзами РКС L1, L2, L3 (вертикальное сечение). sver – угловое поле обзора и wver – угловое поле зрения в вертикальной плоскости, Z′ – расстояние от плоскости наблюдения до последней поверхности оптической си стемы.
“Оптический журнал”, 80, 1, 2013
51
РКС в начале (L1), в середине (L2) и в конце (L3) оптического прибора.
Линзы РКС могут устанавливаться без существенного изменения конструкции прибора наблюдения с возможностью ввода–вывода из оптической системы, что удобно для наблю дателя.
Влияние эффективности размещения линз РКС на увеличение углового поля
наблюдения
Рассмотрим эффективность линз РКС при использовании их в перископическом приборе статического обзора.
Такие приборы, так же как и смотровые окна, должны обеспечивать противорадиационную защиту экипажа. Поэтому принципиально они представляют собой стеклоблок, состоящий не менее чем из двух частей, выполненных из различных оптических материалов с длиной хода луча в стекле lgl 1 и lgl 2.
На рис. 3 представлена оптическая развертка вертикального сечения прибора наблюдения, приведенная к воздуху.
l1 = lgl 1/n1, l2 = lgl 2/n2,
(2)
где n1 и n2 – показатели преломления соответ-
ствующих оптических материалов.
Наибольшее угловое поле зрения без РКС
определяется формулой tgsmax = h1/(l1 + l2 + + Z′), где h1 – половина размера входного окна прибора. Эффективность использова-
ния РКС оценивается через угловое увеличе-
ние Гeff = tgsS/tgsmax. Рассмотрим рисунок подробнее.
1. Линза L1 на входе системы (рис. 3а) мо-
жет иметь рабочие размеры, равные размеру
входного окна прибора, т. е. луч входит на вы-
соте h1. Увеличение углового поля с помощью линзы L1 ограничивается только целесообраз-
ностью в зависимости от назначения прибора.
Geff 1 = G1tgs1/tgsmax, s1 = smax, Geff 1 = G1. (3)
Наиболее приемлемые значения G1 = 1,5–3×. 2. Линза L2 расположена в середине стеклоблока (рис. 3б) на расстоянии l1 от входного окна. Угловое увеличение линзы G2 ограничено размером входного окна h1, поэтому линза L2 используется неполным диаметром, т. е. h2 1× приведена на рис. 5. Линза L1 имеет положительную оптическую силу, линза L2 – отрицательную, при этом эквивалентное фокусное расстояние линзы L1 больше чем у L2. В таких системах угловые поля наблюдения уменьшаются в соответствии с выражением Gvis = tga0/tgaS = 1/Geff.
Изменение направления оси визирования в этих приборах также возможно за счет одновременного смещения оптических осей обеих линз РКС относительно оси прибора.
Если из хода лучей вывести линзу L1, то линза L2 увеличивает углы наблюдения, но при этом Gvis
УДК 681.7.067.5: 627.7.066.35
СМОТРОВОЕ ОКНО С ВЫСОКОЙ СТЕПЕНЬЮ ЗАЩИТЫ ОТ ГАММА-НЕЙТРОННОГО ИЗЛУЧЕНИЯ И ВОЗМОЖНОСТЬЮ ИЗМЕНЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ ПРИБОРА НАБЛЮДЕНИЯ
© 2013 г.
В. И. Арбузов*, доктор физ.-мат. наук; В. Л. Кузовая**; И. П. Полякова**, канд. техн. наук; А. Э. Пуйша**, канд. техн. наук
** Всероссийский научный центр “Государственный оптический институт им. С.И. Вавилова”, *м Санкт-Петербург
** Научно-производственная корпорация “Государственный оптический институт **им. С.И. Вавилова”, Санкт-Петербург
Смотровые окна приборов наблюдения, которые используются при проведении работ с использованием высокоинтенсивного гамма-нейтронного излучения или в экстремальных условиях, в том числе при ликвидации последствий аварий на предприятиях атомной энергетики, должны обеспечивать необходимый уровень защиты операторов и наибольший угол наблюдения местности. Разработанные соотношения толщины специальных оптических материалов позволяют достигать коэффициента ослабления гамма-излучения до 5000 раз при мощности дозы до 5×106 Р/ч. Применение оптических компонентов с растрово-коническими структурами создает возможность расширения угловых полей и изменения направления осей визирования без изменения габаритно-компоновочных параметров.
Ключевые слова: оптический прибор наблюдения, стеклоблок, поле зрения, поле обзора, растрово-конические оптические элементы, ось визирования, радиационнооптическая устойчивость стекол.
Коды OCIS: 120.4640
Поступила в редакцию 20.04.2012
При проведении работ с использованием высокоинтенсивного гамма-нейтронного излучения смотровые окна специальных камер должны обеспечивать необходимый уровень защиты операторов и наибольший угол наблюдения. Такие смотровые окна могут использоваться в качестве приборов оптического обзора механика-водителя бронемашин различного типа, работающих в экстремальных условиях, в том числе при ликвидации последствий аварий на предприятиях атомной энергетики.
Проблема повышения угловых полей зрения и обзора при одновременном повышении защитных свойств является ключевой проблемой при разработке смотровых приборов для техники, используемой в чрезвычайных ситуациях.
В настоящее время существуют два типа приборов наблюдения [1, 2]. Это смотровое окно (рис. 1), в котором оптические оси на вхо-
де и выходе системы совпадают. Такие приборы состоят из двух групп плоско-параллельных пластин, предназначенных для ослабления гамма-нейтронного излучения. На входе и выходе системы расположены защитные стекла. Входное защитное стекло таких приборов может иметь поперечный размер порядка 140×320 мм. Используются также и призменные перископические приборы статического обзора для бронированных машин, состоящие из призм и пластин с перископичностью 250–300 мм, с поперечным размером входного окна порядка 50×120 мм.
Приборы наблюдения должны обеспечивать противорадиационную защиту наблюдателей и обладать радиационно-оптической устойчивостью к поражающим факторам ионизирующего излучения с экспозиционной дозой гамма-излучения не менее 5×105 Р. Поэтому сте-
“Оптический журнал”, 80, 1, 2013
49
2shor 2whor
2sver 2wver
(а)
dg dn Z′
(б)
dg dn Z′
Рис. 1. Принципиальная оптическая схема смотрового окна. Горизонтальное сечение – а, вертикальное сечение – б. dg – общая толщина первой группы пластин по ходу луча, dn – общая толщина второй группы пластин по ходу луча, Z′ – расстояние от плоскости наблюдения до последней поверхности оптической системы. shor, sver – угловые поля обзора, соответственно, в горизонтальной и вертикальной плоскостях, whor, wver – угловые поля зрения, соответственно, в горизонтальной и вертикальной плоскостях.
клоблок этих приборов состоит не менее чем из двух частей, выполненных из различных оптических материалов, например, крон-флинт серии 200 или оргстекло-флинт серии 200.
Угловые поля обзора местности и угловые поля зрения приборов определяются поперечными размерами защитных стекол и расстоянием от плоскости наблюдения до последней поверхности оптической системы (Z′). В табл. 1 приведены основные оптические параметры приборов обоих типов.
Повышение степени защиты от гамма-нейтронного излучения Первая по ходу светового луча группа пластин (рис. 1) с общей толщиной dg состоит из содержащего свинец оптического стекла с большим коэффициентом поглощения g-излучения mg. Вторая группа пластин с общей толщиной dn выполнена из полимерного оптического ма-
Таблица 1. Основные оптические параметры приборов наблюдения
Оптические параметры
Смотровое окно
Прибор статического
обзора
размеры входного окна, мм
140×320
50×120
Z′, мм
угловое поле обзора в горизонтальной плоскости, 2σhor, град
угловое поле обзора в вертикальной плоскости, 2sver, град
угловое поле зрения в горизонтальной плоскости, 2whor, град
угловое поле зрения в вертикальной плоскости, 2wver, град
100,0 120
50
52
18
100,0 80
30
36
7
териала с большим коэффициентом поглощения нейтронного излучения. Между толщинами обеих групп пластин выполняется соотношение dg = (1,1–1,9)dn. Суммарная толщина вдоль оптической оси пластин первой группы определяется зависимостью
dg = ln Kg/mg,
(1)
где Kγ – кратность ослабления g-излучения, mg – коэффициент поглощения g-излучения оптическим стеклом.
В качестве оптического стекла, содержа-
щего свинец, может быть использовано новое
оптическое стекло марки ТФ18112, обладаю-
щее уникальными свойствами. В табл. 2 приведены основные параметры стекла ТФ18112 по
Таблица 2. Основные параметры стекол ТФ1812 и ТФ105
Параметры
ТФ105
ТФ18112
содержание PbO, мол % плотность, г/см3
35,0 4,77
40,0 4,31
lbound, нм ne
ne Доза, Р 1×105 1×106 1×107
450 355
1,7617
1,6941
27,32
38,1
DD
0,088
0,017
0,285
0,070
– 0,103
50 “Оптический журнал”, 80, 1, 2013
сравнению с ближайшим аналогом – стеклом марки ТФ105 [3].
Как видно из таблицы, стекло ТФ18112 при увеличенном содержании оксида свинца имеет меньшую плотность и значительно расширенный в коротковолновую область рабочий спектральный диапазон (до lbound = 355 нм). Кроме того, под действием ионизирующего излучения с дозой до 1×106 Р образец стекла ТФ18112 толщиной 1 см имеет значительно меньшее приращение оптической плотности DD в видимой области спектра, чем стекло ТФ105, а при дозе 1×107 Р величина DD у стекла ТФ18112 меньше, чем у ТФ105 при дозе 1×105 Р.
В изготовленном макете смотрового прибора вторая группа пластин выполнена из полимерного оптического материала СО-120. Суммарные толщины пластин первой и второй групп равны dg = 220 мм и dn = 150 мм соот ветственно, при этом выполняется соотношение dg = 1,466dn.
Как показали проведенные испытания, данный смотровой прибор может быть использован в условиях воздействия g-излучения с мощностью дозы до 5×106 Р/ч с коэффициентом ослабления g-излучения до 5000 раз при наличии нейтронного излучения с энергией нейтронов более 2 МэВ.
Каждая группа пластин с толщинами, соответственно, dg, dn может быть склеена в единый блок и заклеена защитными пластинами из оптического стекла К208 с просветляющими покрытиями на наружных поверхностях. В этом варианте светопропускание всей системы стеклоблока увеличивается с t = 0,32 (вариант без склейки пластин) до 0,45.
оптической оси. Однако у смотровых окон специальных камер возможность увеличения размеров входных окон ограничена возможностями поставки высококачественного оптического стекла серии 200 или ТФ18112 больших диаметров, а уменьшение общей толщины стеклянных пластин приводит к снижению защитных свойств стеклоблока. В перископических приборах статического обзора увеличение габаритных размеров призмы приводит к увеличению размеров отверстия для установки приборов в машине и, как следствие, к снижению прочностных характеристик машины: уменьшение перископичности приборов невозможно по конструктивно-компоновочным требованиям размещения приборов внутри машины, а уменьшение общей толщины пластин вдоль оптической оси снижает защитные параметры прибора.
Наиболее перспективным направлением развития приборов наблюдения с возможностью изменения углового поля зрения является использование оптических элементов с растровыми коническими структурами (РКС). Они представляют собой плоскую пластину из оптически прозрачного органического материала, на одну из поверхностей которой нанесена растровая коническая структура, эквивалентная стеклянной линзе с отрицательной оптической силой. Линзы РКС могут располагаться на входе, в середине и на выходе оптической системы прибора.
На рис. 2 показана принципиальная опти ческая схема перископического прибора наблюдения с возможным расположением линз
Изменение углов наблюдения
Возможности изменения угловых полей обзора и зрения полезны для приборов обоих типов – как для смотровых окон специальных камер, так и для приборов статического обзора. Особенно это актуально для перископических приборов, установленных на подвижных носителях, например, в бронированных машинах. Размер непросматриваемой зоны вокруг машины достигает примерно 20–30 м, что является неприемлемым при работе в экстремальных условиях и в ограниченных пространствах.
Увеличение углов наблюдения возможно за счет увеличения поперечных размеров входных окон и уменьшения размеров приборов вдоль
2sver 2wver
L1
L2 L3
Z′
Рис. 2. Принципиальная оптическая схема прибора статического обзора с линзами РКС L1, L2, L3 (вертикальное сечение). sver – угловое поле обзора и wver – угловое поле зрения в вертикальной плоскости, Z′ – расстояние от плоскости наблюдения до последней поверхности оптической си стемы.
“Оптический журнал”, 80, 1, 2013
51
РКС в начале (L1), в середине (L2) и в конце (L3) оптического прибора.
Линзы РКС могут устанавливаться без существенного изменения конструкции прибора наблюдения с возможностью ввода–вывода из оптической системы, что удобно для наблю дателя.
Влияние эффективности размещения линз РКС на увеличение углового поля
наблюдения
Рассмотрим эффективность линз РКС при использовании их в перископическом приборе статического обзора.
Такие приборы, так же как и смотровые окна, должны обеспечивать противорадиационную защиту экипажа. Поэтому принципиально они представляют собой стеклоблок, состоящий не менее чем из двух частей, выполненных из различных оптических материалов с длиной хода луча в стекле lgl 1 и lgl 2.
На рис. 3 представлена оптическая развертка вертикального сечения прибора наблюдения, приведенная к воздуху.
l1 = lgl 1/n1, l2 = lgl 2/n2,
(2)
где n1 и n2 – показатели преломления соответ-
ствующих оптических материалов.
Наибольшее угловое поле зрения без РКС
определяется формулой tgsmax = h1/(l1 + l2 + + Z′), где h1 – половина размера входного окна прибора. Эффективность использова-
ния РКС оценивается через угловое увеличе-
ние Гeff = tgsS/tgsmax. Рассмотрим рисунок подробнее.
1. Линза L1 на входе системы (рис. 3а) мо-
жет иметь рабочие размеры, равные размеру
входного окна прибора, т. е. луч входит на вы-
соте h1. Увеличение углового поля с помощью линзы L1 ограничивается только целесообраз-
ностью в зависимости от назначения прибора.
Geff 1 = G1tgs1/tgsmax, s1 = smax, Geff 1 = G1. (3)
Наиболее приемлемые значения G1 = 1,5–3×. 2. Линза L2 расположена в середине стеклоблока (рис. 3б) на расстоянии l1 от входного окна. Угловое увеличение линзы G2 ограничено размером входного окна h1, поэтому линза L2 используется неполным диаметром, т. е. h2 1× приведена на рис. 5. Линза L1 имеет положительную оптическую силу, линза L2 – отрицательную, при этом эквивалентное фокусное расстояние линзы L1 больше чем у L2. В таких системах угловые поля наблюдения уменьшаются в соответствии с выражением Gvis = tga0/tgaS = 1/Geff.
Изменение направления оси визирования в этих приборах также возможно за счет одновременного смещения оптических осей обеих линз РКС относительно оси прибора.
Если из хода лучей вывести линзу L1, то линза L2 увеличивает углы наблюдения, но при этом Gvis