Алгоритм САПР канальных электронных умножителей

УДК 621.383.8

АЛГОРИТМ САПР КАНАЛЬНЫХ ЭЛЕКТРОННЫХ УМНОЖИТЕЛЕЙ

И.Н. Гончаров, Е.Н. Козырев

В статье рассматривается алгоритм автоматизированного проектирования микроканальных пластин (МКП), используемых в технике ночного видения, а также в фотоэлектрических датчиках дистанционного контроля изоляторов на высоковольтных линиях электропередач

Ключевые слова: вторичная электронная эмиссия, электрическое поле, поведение электронов,

математическая модель, усилительная способность

В общем случае процедура разработки электронно-оптической системы должна сводиться к выявлению формы электродов и их потенциалов, обеспечивающих

формирование пучка электронов с заданными характеристиками. Известны средства САПР, позволяющие проводить в интерактивном режиме поиск оптимальных геометрий расположений электродов ЭОС и напряжений на них для получения требуемых характеристик систем электронной оптики вакуумных электронных приборов с широкими электронными пучками, таких как электроннолучевые трубки, инверторные электроннооптические преобразователи,

фотоэлектронные умножители в их прикатодной области и др.

Задача автоматизированного анализа поведения электронов в условиях вторичноэмиссионного умножителя, и в каналах МКП в частности, является гораздо более сложной поскольку предусматривает не только расчет траекторий электронов в условиях однородных и неоднородных электрических полей и различных граничных условий до взаимодействия с электродами, но и

моделирование вероятностного явления

эмиссии и дальнейшего продвижения в электрическом поле соответствующего

количества вторичных электронов.

Создание средств автоматизированного проектирования канальных умножителей и анализа процессов в прилегающих областях изделий применения (зазоре фотокатод-входная поверхность МКП и высоковольтном промежутке между МКП и

Гончаров Игорь Николаевич - СКГМИ (ГТУ), канд. техн. наук, доцент, тел. 89188219247 Козырев Евгений Николаевич - СКГМИ (ГТУ), д-р техн. наук, профессор, тел. 89188223928

катодолюминесцентным экраном ЭОП) подразумевает моделирование

соответствующих однородных и

неоднородных электрических полей; моделирование процессов взаимодействия первичных электронов с резистивноэмиссионным слоем канала и эмиссии вторичных электронов в соответствии с положениями теории; статистическую обработку результатов исследований. Разработка модели связана с решением следующих задач: выбором и анализом

соответствующих фундаментальных

уравнений, упрощением этих уравнений с учетом структуры системы и физических процессов, определяющих ее свойства; определением граничных и начальных условий. Далее следует решение уравнений физических процессов. Траектории электронов целесообразно определять посредством

численного решения трехмерных уравнений движения.

Общий вид разработанного алгоритма САПР канальных умножителей приведен на рисунке. Задача синтеза в данном алгоритме содержит три этапа.

1. Выявление условий физической

реализуемости модели, включающее

определение структуры (конструкции) канального умножителя и прилегающих областей изделия применения, задание его рабочих параметров и условий функционирования.

2. Решение задач аппроксимации, в

процессе чего разрабатываются физически реализуемые функциональные, статические

модели электрического поля на входе и выходе канала, ускоряющего поля в канале умножителя с учётом граничных условий, а также модели поведения первичных и

вторичных электронов в объёме канала и экранного промежутка изделия применения.

3. Задача реализации, включающая определение структуры и параметров проектируемого (исследуемого) канального умножителя.

Этапу теоретического анализа при разработке изделия предшествует ввод исходных параметров в ЭВМ и осуществление расчёта поведения первичных и вторичных электронов в канале.

Среди учитываемых при расчетах характеристиках конструкции изделия необходимо выделить: средний диаметр

канала ^, калибр канала а, особенности его сечения в случае отклонения от круглой формы в пределах допуска (степень эллиптичности £,, оцениваемая в данном случае значениями большой и малой полуосей эллипса сечения), средний шаг структуры каналов 5, особенность исследуемого элемента выходной поверхности МКП (участок с редким рядом, участок с густым рядом), длины и особенности конфигураций входной 1Ме/вх и выходной 1Ме/вых металлизаций стенок канала, расстояния фотокатод-МКП 1ф/к и пластина-экран 1эк в изделии применения. Вводимые электрические параметры таковы: напряжение питания МКП ИмКП, разность потенциалов между фотокатодом и входом МКП иф/к, а также между выходной

поверхностью пластины и экраном Иэкр; величина входного тока 1вх и сопротивление МКП ЯмКП при учёте зарядовых явлений.

Этап анализа в разработанном алгоритме САПР включает исследование канального умножителя с использованием математических моделей, отражающих с заданной точностью его свойства. Критериями оптимальности следует считать: коэффициент усиления М и диаметр кружка рассеяния электронного изображения канала dр,

определяющий разрешающую способность МКП и характеризуемый моделируемыми энергетическим и угловым распределениями электронов, вылетающих из канала. Варьируемые параметры оптимизации таковы:

а ^е/вы» а также КМКП при учёте

зарядовых явлений.

Если значения всех критериев оптимальности соответствуют поставленным в исходном задании условиям данная проектная процедура прекращается. Если проектное

решение не достигнуто, согласно алгоритму осуществляется автоматическое изменение подлежащих варьированию геометрических, электрических параметров канального умножителя и повторный ввод данных в ЭВМ - решается задача оптимизации, выбора наилучшего решения при заданных ограничениях.

Для математической модели проектируемого прибора требуется провести поиск оптимальных параметров,

обеспечивающих максимум одной из наиболее важных технических характеристик. В данном случае такой характеристикой следует принять коэффициент усиления М. При этом другой критерий оптимальности dр должен удовлетворять техническим требованиям на изделия. Процедуру оптимизации можно проводить автоматически в соответствии с целевой функцией, либо в интерактивном режиме с привлечением эксперта.

В заключение следует произвести выбор метода проведения процедуры оптимизации. В данном случае задачу оптимального проектирования необходимо решать методом многомерного поиска, в соответствии с количеством варьируемых параметров. Анализ показал, что наиболее удобным и доступным способом решения рассматриваемой задачи следует считать детерменированный многомерный метод Розенброка. Данный метод оптимизации отличается высоким качеством решения задачи, поскольку учитывает наличие "оврагов" в пространстве проектирования, а также малыми потерями на поиск.

Литература

1. Батищев Д.И. Методы оптимального проектирования. - М.: Ради о связь, 1984. - 247 с.

Северо-Кавказский горно-металлургический институт (государственный технологический

университет)

ALGORITM OF THE SISTEM AUTOMATIC PROJECTION OF THE CHANNEL ELECTRON

MULTIPLICATION DEVELOPMENT

I. N. Goncharov, E.N. Kozyrev

Describing algoritm of automatic projection of the microchannel plates (MCP). MCP is used in the night vision devises and contactless photoelectric pick-ups of control isolator in high-voltage power line

Key words: secondary-electronic emission, electrical field, behaviour of electrons, mathematical model