ВРЕМЯАНАЛИЗИРУЮЩИЙ ЭЛЕКТРОННО-ОПТИЧЕСКИЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ИЗОБРАЖЕНИЯ
TIME-ANALYSING ELECTRON-OPTICAL IMAGE CONVERTER

Предлагаемое устройство относится к области электронной техники и может быть использовано в системах, предназначенных для преобразования и усиления яркости изображения в различных областях спектра, для регистрации быстропротекающих процессов в режиме фотохронографической регистрации с пикосекундным временным разрешением.
Известны электронно-оптические преобразователи (ЭОП) фирмы «PHOTONICS» семейства Р510-Р520 со сферическим фотокатодом и трехэлектродной аксиальной электростатической фокусирующей системой [1, «New streak tubes of the P500 series features and expenmentat results”, J.C.Rebuffie and A.Mens, paper presented at the 19th. Int. Congress of High Speed Photography and Photonics, Cambridge, England, Sep. 1990]. Электростатическая система фокусировки состоит из ускоряющего электрода с мелкоструктурной сеткой либо узкой щелью (модификации РМ либо PS), фокусирующего электрода и анода. Перечисленные ЭОП имеют достаточно высокое пространственное разрешение (от 10 пар линий на миллиметр) и временное разрешение (от 20 до 5 пс).
Известен также электронно-оптический преобразователь (2, пат. РФ №2228561 - разработка ФГУП НИИИТ), содержащий расположенные в вакуумной оболочке фотокатод, сетку, выполняющую роль ускоряющего электрода, диафрагму, отклоняющую систему, мишень. В ЭОП (2) сетка и мишень выполнены в виде сферических сегментов. Магнитостатическая фокусировка создается соленоидом.
Высокое временное и пространственное разрешение в указанных ЭОП [1, 2] достигается в первую очередь за счет мощного электростатического поля специальной структуры, генерируемого в области катод - ускоряющий электрод. Эквипотенциалы поля в прикатодной области в сечении, содержащем оптическую ось ЭОП [1, 2], представляют собой дуги окружностей. Для генерации электростатических полей указанной структуры, обеспечивающих высокое пространственное разрешение, в ЭОП (1) использованы сферический катод и плоская мелкоструктурная сетка, в ЭОП (2) использованы плоский фотокатод и сферический ускоряющий электрод.
Высокая напряженность электростатического поля достигается в ЭОП [1, 2] за счет малого расстояния катод - ускоряющий электрод (~2 мм) и большой разности потенциала (5-6 кВ) между катодом и ускоряющим электродом.
Недостатками ЭОП [1, 2] являются наличие сферического элемента, мелкоструктурной сетки либо узкой щели, малое расстояние при значительной величине разности потенциалов в промежутке катод - ускоряющий электрод, что определяет сложность изготовления, возможность пробоя и неудовлетворительное качество регистрируемого изображения.
Наличие сферического катода приводит к необходимости использования сферизованной волоконно-оптической пластины, толщина которой увеличивается от центра к краю изображения, что, в свою очередь, вызывает существенную неравномерность яркости изображения.
Сферическая мелкоструктурная сетка, кроме сложности ее изготовления, подвержена деформациям при эксплуатации прибора, а из-за сферичности сетки даже малые деформации приводят к существенным искажениям изображения.
Узкая щель вблизи катода позволяет обеспечить высокое временное разрешение, но пространственное разрешение в такой системе крайне низкое.
Малое расстояние катод - сетка в ЭОП (1, 2) обуславливает зависимость коэффициента пропускания сетки от положения точечного эмиттера на катоде, что вызывает существенную неоднородность яркости изображения - участки катода, соответствующие проекции сетки на катод, имеют существенно меньшую освещенность в изображении, вплоть до появления темных пятен. Кроме того, малое расстояние при значительной величине разности потенциала катод-ускоряющий электрод при эксплуатации перечисленных ЭОП [1, 2] может приводить к пробоям, а сферичность одного из элементов пары катод-сетка либо наличие узкой щели в катодной области существенно ограничивают рабочее поле фотокатода.
Наиболее близким техническим решением к данному предложению является времяанализирующий электронно-оптический преобразователь изображения фирмы «PHOTONICS» [1], содержащий расположенные на одной оптической оси фотокатод длиной l, выполненные в виде поверхностей полых цилиндров ускоряющий и фокусирующий электроды, анод, блок развертки изображения и экран. В ЭОП (1) электростатическая система фокусировки состоит из ускоряющего электрода с мелкоструктурной сеткой (либо с узкой щелью в модификации PS) фокусирующего электрода и анода. В ЭОП (1) для генерации полей требуемой структуры использован сферический фотокатод, мелкоструктурная сетка может быть заменена узкой щелью. Недостатками ЭОП (1) являются сложность конструкции и изготовления, неудовлетворительная надежность (возможны пробои), связанная с малым расстоянием катод-ускоряющий электрод, неудовлетворительное по определенным параметрам качество передаваемого изображения.
Техническим результатом предлагаемого изобретения является упрощение конструкции времяанализирующего ЭОП, повышение надежности в эксплуатации при одновременном повышении качества изображения ЭОП, существенное расширение диапазона применения.
уэ
фэ
a
Технический результат в времяанализирующем ЭОП изображения, содержащем расположенные на одной оптической оси фотокатод длиной l, расположенный на металлической подложке, и выполненные в виде поверхностей полых цилиндров ускоряющий электрод (УЭ) и фокусирующий электрод (ФЭ), анод, блок развертки изображения и экран, достигается тем, что введена электрически связанная с плоским фотокатодом и окружающая его металлическая катодная насадка в виде полого цилиндра диаметром D∈[1.5l, 4l] и высотой Н∈[L/3, L+Δ], где L - расстояние от фотокатода до входного цилиндра ускоряющего электрода, Δ - величина перекрытия катодной насадки и входного цилиндра ускоряющего электрода. Фотокатод выполнен плоским, а ускоряющий электрод выполнен из n (п>3) полых цилиндров диаметром Di и высотой Hi, i=1, 2, …, n, соединенных кольцами, с соотношениями между Di и Hi, создающими в совокупности с потенциалами U, U и U выбранный монотонный, тормозной или промежуточный режим работы ЭОП и обеспечивающими заданные параметры ЭОП: пространственное разрешение, временное разрешение, коэффициент усиления яркости изображения, коэффициент масштабирования.
Сущность изобретения заключается в том, что благодаря введению катодной насадки в пространстве: плоский фотокатод, катодная насадка и первый цилиндр ускоряющего электрода - создается электрическое поле по структуре, приближающееся к электрическому полю, создаваемому ЭОПом - прототипом. В отличие от прототипа в предложении заявителя отсутствуют элементы сферической формы, мелкоструктурная сетка либо узкие щели, что существенно упрощает ЭОП и технологию его изготовления. Кроме того, возможность изменения соотношений между радиусами и высотами цилиндров ускоряющего электрода в совокупности с различным соотношением потенциалов ускоряющего, фокусирующего электродов и анода создается возможность работы ЭОП в выбранном режиме: монотонном, тормозном или промежуточном. Это обеспечивает получение заданных параметров ЭОПа, а именно пространственного и временного разрешения, коэффициента усиления яркости изображения, коэффициента масштабирования. Существующие ЭОП работают только в одном из перечисленных режимов, поэтому предлагаемый ЭОП, выполненный без сетки и сферических элементов, является базовой конструкцией, обеспечивающей получение заданных параметров ЭОП и характеризующийся простотой конструкции, высокой надежностью, упрощением технологии изготовления и существенным расширением спектра применения.
уэ
фэ
a
фэ
уэ
уэ
а
фэ
На фиг.1 схематично представлена базовая конструкция времяанализирующего ЭОП. На фиг.2 в плоскости, содержащей оптическую ось и луч расположения точечных эмиттеров из центра катода, визуализованы проекции траекторий электронов из точечных эмиттеров на эту плоскость, положение кроссовера (вертикальная черта), образующие электродов и поверхности изображения, при этом фиг.2,а отвечает монотонному режиму фокусировки изображения (U<U<U), фиг.2,б - тормозному (U<U<Uа), a фиг.2,в - монотонно-тормозному режиму фокусировки изображения (U<U<U) соответственно. На фиг.3 в плоскости, содержащей оптическую ось, визуализовано распределение линий равного уровня потенциала электростатического поля, индуцируемого в области катод - ускоряющий электрод для трех режимов фокусировки, а именно фиг.3,а отвечает монотонному режиму, фиг.3,б - тормозному, а фиг.3,в - монотонно-тормозному режиму фокусировки изображения соответственно.
Принятые обозначения на фиг.1: плоский фотокатод 1, катодная насадка 2, ускоряющий электрод 3, кольца 3,а, соединяющие цилиндры ускоряющего электрода 3, фокусирующий электрод 4, анод 3, блок развертки изображения 6 и экран 7. Как видно из фиг.1, в предлагаемом ЭОП фотокатод и экран выполнены плоскими, введенная металлическая катодная насадка выполнена в виде полого цилиндра диаметром D и высотой Н, ускоряющий электрод составлен из трех полых цилиндров диаметром Di и высотой Hi, i=1, 2, 3, соединенных двумя кольцами, фокусирующий электрод имеет форму полого цилиндра диаметром Df и высотой Hf. Таким образом, предлагаемый ЭОП не содержит сферических элементов, мелкоструктурных сеток и узких щелевых отверстий.
Предлагаемый времяанализирующеий ЭОП работает следующим образом. Порождаемое наблюдаемым объектом изменяющееся во времени электромагнитное излучение проникает через прозрачное для этого излучения окно и попадает на плоский фотокатод 1, чувствительный к излучаемой области спектра. Катодная насадка 2 находится под потенциалом фотокатода. Электроны из точечных эмиттеров с фотокатода 1 под воздействием мощного сферизованного поля в области катод-катодная насадка 2 - ускоряющий электрод 3 ускоряются и начинают фокусироваться. Дальнейшая фокусировка элементарных электронных пучков осуществляется фокусирующей системой, включающей ускоряющий электрод 3, фокусирующий электрод 4 и анод 5 в любом из трех перечисленных выше режимов - монотонном, тормозном или монотонном-тормозном. С помощью блока развертки 6 электронный пучок отображается на экране 7.
Таким образом, в зависимости от конкретных требований к временному и пространственному разрешению и к другим параметрам ЭОП выбираются оптимальные величины D, Н, L, А и соотношения между Di, Hi, Df, Hf. В предлагаемой конструкции реализуется любой из заданных режимов путем подачи соответствующих потенциалов на ускоряющий, фокусирующий электроды и анод. Известные ЭОП могут работать только в одном режиме.
уэ
фэ
а
фэ
уэ
a
уэ
а
фэ
Для примера рассмотрим компьютерную модель реального времяанализирующего ЭОП, полностью идентичную чертежу на фиг.1. На фиг.2 в плоскости, содержащей оптическую ось и луч расположения точечных эмиттеров из центра катода, визуализованы проекции траекторий электронов из точечных эмиттеров на эту плоскость, положение кроссовера (вертикальная черта), образующие электродов и поверхности изображения, при этом фиг.2,а отвечает монотонному режиму фокусировки изображения (U<U<U), фиг.2,б - тормозному (U<U<U), а фиг.2,в - монотонно-тормозному режиму фокусировки изображения (U<U<U) соответственно. В монотонном режиме предлагаемый ЭОП обеспечивает пространственное разрешение от 60 штр/мм при коэффициенте увеличения 1 и временном разрешении 4 пс. В тормозном режиме рассматриваемая система обеспечивает пространственное разрешение от 40 штр/мм при коэффициенте увеличения 1,5 и временном разрешении 2 пс. В свою очередь, в монотонно-тормозном режиме рассматриваемая система обеспечивает пространственное разрешение от 30 штр/мм при коэффициенте увеличения 1,3 и временном разрешении 3 пс. Таким образом, с помощью компьютерного моделирования и исследования экспериментальных образцов ЭОП установлено, что монотонный режим фокусировки изображения позволяет получить наиболее высокое пространственное разрешение, тормозной - временное, а монотонно-тормозной занимает промежуточное положение.
На фиг.3 в плоскости, содержащей оптическую ось, визуализировано распределение линий равного уровня потенциала электростатического поля, индуцируемого в области катод-ускоряющий электрод для трех режимов фокусировки, а именно фиг.3,а отвечает монотонному режиму, фиг.3,б - тормозному, а фиг.3,в - монотонно-тормозному режиму фокусировки изображения соответственно.
Таким образом, в зависимости от конкретных требований к временному и пространственному разрешению и к другим параметрам ЭОП выбираются оптимальные величины D, Н, L, Δ и соотношения между Di, Hi, Df, Hf. В предлагаемой конструкции реализуется любой из заданных режимов путем подачи соответствующих потенциалов на ускоряющий, фокусирующий электроды и анод. Известные ЭОП могут работать только в одном режиме.
1
1
1
1
3
f
2
2
Если D - диаметр цилиндрической насадки и Н - высота, l - длина фотокатода, а L - расстояние от катода до входного цилиндра ускоряющего электрода диаметра D и высоты Н, то оптимальные размеры насадки выбираются при D∈[1.5l, 4l] и Н∈[L/3, L+Δ], где Δ - величина перекрытия насадки и входного цилиндра. С увеличением D и Н из указанных интервалов улучшается пространственное разрешение и падает временное разрешение. Напротив, при уменьшении D и Н улучшается временное разрешение, пространственное разрешение несколько падает. В свою очередь, при диаметре входного цилиндра ускоряющего электрода D, большим диаметра насадки D, можно получить высокое пространственное разрешение, а при D<D - временное. Последнее справедливо и относительно соотношения диаметров выходного цилиндра ускоряющего электрода D и диаметра фокусирующего электрода D. В области, ограниченной вторым цилиндром ускоряющего электрода диаметром D и высотой Н, электростатическое поле имеет слабую напряженность. Эта область используется для «тонкой» подфокусировки электронных пучков, а второй цилиндр ускоряющего электрода - как ловушка для паразитных (вылетевших не с фотокатода) электронов
Все результаты компьютерного моделирования были подтверждены исследованиями макетных образцов.
Таким образом, предлагаемый времяанализирующий ЭОП по сравнению с прототипом имеет преимущества, заключающиеся в упрощении конструкции за счет отказа от использования сферических элементов, мелкоструктурных сеток и узких щелей, повышении надежности в эксплуатации при одновременном повышении качества изображения ЭОП. Кроме того, предлагаемый ЭОП обеспечивает фокусировку электронного изображения в трех принципиально отличных режимах: монотонном, тормозном и монотонно-тормозном, то есть предлагаемый ЭОП имеет существенно более широкий спектр применения, чем существующие ЭОП, традиционно работающие только в одном из указанных режимов.
Упрощение конструкции и повышение надежности определяют снижение стоимости предлагаемой ЭОС по сравнению с прототипом.
ЛИТЕРАТУРА
1. «New streak tubes of the P500 series features and experimental results», J.C.Rebuffie and A.Mens, paper presented at the 19th. Int. Congress of High Speed Photography and Photonics, Cambridge, England, Sep.1990 - прототип.
2. Пат. РФ №2228561 «Времяанализирующий электронно-оптический преобразователь изображения» (разработка ФГУП НИИИТ).