КАТОДНЫЙ УЗЕЛ ВРЕМЯАНАЛИЗИРУЮЩЕГО ЭЛЕКТРОННО-ОПТИЧЕСКОГО ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ ИЗОБРАЖЕНИЯ
CATHODE ASSEMBLY OF TIME-ANALYSING ELECTRONIC OPTICAL IMAGE CONVERTER

Предлагаемое устройство относится к области электронной техники и может быть использовано в электронно-оптических преобразователях (ЭОП), предназначенных для преобразования и усиления яркости изображения в различных областях спектра, для регистрации быстропротекающих процессов в режиме фотохронографической регистрации с субпикосекундным временный разрешением.
Известен электронно-оптический преобразователь с электростатической фокусировкой [1, пат. РФ №2094897], содержащий сферический фотокатод, аксиальный фокусирующий электрод, установленный между анодом и плоским экраном. Электростатическая система фокусировки состоит из ускоряющего электрода с мелкоструктурной сеткой, фокусирующего электрода и анода.
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 известных ЭОП (1,2) достигается в первую очередь за счет мощного электростатического поля специальной структуры, генерируемого в области катод-сетка. Эквипотенциалы поля в прикатодной области в сечении, содержащем оптическую ось, представляют собой дуги окружностей. Для генерации электростатических полей указанной структуры в ЭОП (1) использованы сферический катод и плоская мелкоструктурнаю сетка (см. фиг.1а), в ЭОП (2) использованы плоский фотокатод и сферический ускоряющий электрод (см. фиг.1б). Высокая напряженность электростатического поля достигается в обоих ЭОП за счет малого расстояния катод-сетка (~2 мм) и большой разности потенциала (5-6 кВ) между катодом и ускоряющим электродом.
Недостатками катодных узлов ЭОП (1, 2) являются наличие сферического элемента, малое расстояние при значительной величине разности потенциалов в промежутке катод-сетка, что определяет сложность изготовления, возможность пробоя и неудовлетворительное качество регистрируемого изображения.
Наличие сферического катода (фиг.1а) 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 (фиг.1б), кроме сложности ее изготовления, подвержена деформациям при эксплуатации прибора, а из-за сферичности сетки даже малые деформации приводят к существенным искажениям изображения.
Малое расстояние катод-сетка в катодных узлах 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. Последнее объясняется тем, что несмотря на расширение электронных пучков при удалении от катода в области катод-сетка при малом расстоянии катод-сетка характерный поперечный размер пучков сравним или же существенно меньше толщины прутка сетки, то есть элементарный пучок электронов из точечного эмиттера может полностью осесть на прутке сетки. Кроме того, малое расстояние при значительной величине разности потенциала катод-сетка при эксплуатации обоих ЭОП может приводить к пробоям, а сферичность одного из элементов пары катод-сетка существенно ограничивает (~10 мм) рабочее поле фотокатода.
Наиболее близким техническим решением к данному предложению является катодный узел электронно-оптического преобразователя (2, пат. РФ №2228561 - разработка ФГУП НИИИТ), содержащего расположенные в вакуумной оболочке фотокатод, мелкоструктурную сетку, выполняющую роль ускоряющего электрода, диафрагму, отклоняющую систему, мишень. Как отмечалось выше, недостатками катодного узла ЭОП (2) является неудовлетворительное качество изображения, сложность конструкции и изготовления, обусловленные использованием сферических элементов, неудовлетворительная надежность (возможны пробои), связанная с малым расстоянием сетка-катод.
Техническим результатом предлагаемого изобретения является упрощение конструкции катодного узла времяанализирующих ЭОП за счет отказа от использования сферических элементов, повышение надежности в эксплуатации при одновременном повышении качества изображения ЭОП.
Технический результат в катодном узле времяанализирующего ЭОП, содержащем расположенные в вакуумной оболочке на одной оптической оси плоский фотокатод с длиной l и шириной h, выполненный на металлической подложке, ускоряющий электрод, мелкоструктурную сетку, достигается тем, что мелкоструктурная сетка выполнена плоской, а в катодный узел введена электрически связанная с фотокатодом и окружающая его металлическая катодная насадка в виде полого тела вращения, образующая которого составляет с катодной плоскостью угол θ∈[90°, 150°], радиус насадки составляет R∈[0.81, 21], высота катодной насадки H∈[L/3, L], где L - расстояние между сеткой и катодом.
Существо изобретения заключается в том, что использование катодной насадки под потенциалом фотокатода способствует созданию в пространстве плоских фотокатод-сетка мощного электрического поля, приближающегося к электрическому полю, создаваемому прототипом, использующим сферическую сетку. Отсутствие сферических элементов делает предлагаемый катодный узел проще и технологичнее, дешевле и надежнее прототипа.
На фиг.1 схематично представлены известные конструкции катодных узлов. Предлагаемый катодный узел схематично представлен на фиг.2, на фиг.2а представлен катодный узел, в котором катодная насадка выполнена в виде полого цилиндра, на фиг.2б - катодная насадка представляет собой полый усеченный конус.
Принятые обозначения на фиг 1. и фиг.2. Фотокатод 1, ускоряющий электрод 2, мелкоструктурная сетка 3. На фиг.2 катодная насадка обозначена позицией 4. Как видно из фиг.2, в предлагаемом устройстве и фотокатод и мелкоструктурная сетка выполнены плоскими, введенная металлическая катодная насадка выполнена в виде полого цилиндра или в виде полого усеченного конуса, образующая цилиндра или конуса составляет с катодной плоскостью угол θ∈[90°, 150°], радиус составляет R∈[0.81, 21], высота катодной насадки Н∈[L/3, L], где L - расстояние между сеткой и катодом, мелкоструктурная сетка выполнена плоской.
Предлагаемый катодный узел работает следующим образом.
Порождаемое наблюдаемым объектом изменяющееся во времени электромагнитное излучение проникает через прозрачное для этого излучения окно и попадает на фотокатод 1, чувствительный к излучаемой области спектра. Электроны, эмитируемые фотокатодом 1, ускоряются и фокусируются мощным электростатическим сферическим полем, создаваемым системой: фотокатод 1 с катодной насадкой 4, ускоряющий электрод 2, мелкоструктурная сетка 3.
Для примера рассмотрим реальный времяанализирующий ЭОП с катодным узлом в виде плоского катода и сферической сетки (фиг.1б). В случае плоского экрана рассматриваемая система обеспечивает пространственное разрешение от 40 до 50 штр/мм при коэффициенте увеличения 2.5 и временное разрешение 1 пс. Аналогичные результаты получены для катодного узла (фиг.2а) с цилиндрической катодной насадкой и для катодного узла с конической катодной насадкой (фиг.2б).
Общие размеры у рассмотренных катодных узлов одинаковые, однако расстояние катод-сетка в катодных узлах (фиг.2а, б) в 2.5 раза больше, чем в прототипе. При временном разрешении в 1 пс предлагаемые катодные узлы обеспечивают и близкое пространственное разрешение от 50 до 60 штр/мм при коэффициенте увеличения 2.3. Изображение при этом имеет практически равномерную освещенность по всему полю экрана в отличие от изображения, передаваемого катодным узлом прототипа.
Катодный узел, изображенный на фиг.2б, имеет размер фотокатода 10*3 мм, катодную насадку в форме цилиндра диаметром 20 мм и высотой 3.5 мм, при этом расстояние катод-сетка равно 5 мм, диаметр сетки 14 мм.
Если R - радиус цилиндрической насадки и Н - высота, l - длина фотокатода, а L - расстояние от катода до мелкоструктурной сетки, то оптимальные размеры насадки выбираются при R∈[0.81, 21] и Н∈[L/3, L]. С увеличением R и Н из указанных интервалов улучшается пространственное разрешение и ухудшается временное разрешение, т.е. увеличивается до нескольких пикосекунд. Напротив, при уменьшении R и Н временное разрешение переходит в фемтосекундный диапазон (улучшается), пространственное разрешение несколько падает. Оптимум определяется исходя из требований, предъявляемых к конструкции ЭОП, с учетом особенностей фокусирующей системы.
Если θ - угол образующей конической насадки с катодной плоскостью, R - радиус конической насадки в сечении катодной плоскостью и Н - ее высота, то оптимальная форма насадки достигается при θ∈[90°, 150°] (θ=90° - случай цилиндрической насадки), R∈[0.81, 21] и Н∈[L/3, L]. По аналогии с цилиндрической насадкой пространственное разрешение растет, а временное падает с увеличением значений θ, R и Н, и обратно, пространственное падает, а временное разрешение растет с уменьшением значений параметров θ, R и Н из указанных интервалов. Оптимальные размеры конической насадки определяются из тех же условий, что и в случае цилиндрической насадки.
Таким образом, предлагаемый катодный узел не содержат сферических элементов, однако генерируемое в области между плоским катодом и сеткой электростатическое поле имеет схожую структуру с полями, генерируемыми в катодных узлах, приведенных на фиг.1. Последнее связано с наличием в предлагаемом устройстве катодной насадки 4.
Катодная насадка 4 имеет простую форму (полый цилиндр либо полый усеченный конус) и находится под потенциалом катода, что, наряду с отсутствием сферических элементов, делает предлагаемый катодный узел существенно технологичнее ранее используемых в ЭОП катодных узлов. Кроме того, при той же разности потенциала катод-сетка и данном временном разрешении в предлагаемом техническом решении в несколько раз (минимум в 2,5 раза) увеличено расстояние катод-сетка. Последнее приводит не только к повышению надежности работы ЭОП (вероятность пробоя существенно уменьшается), но и устраняет зависимость коэффициента пропускания мелкоструктурной сетки от положения точечного эмиттера, то есть устраняется зависимость яркости изображения от структуры сетки. Дело в том, что электронные пучки в области катод-сетка расширяются при удалении от катода и в области сетки имеют характерный размер, существенно превосходящий толщину прутка мелкоструктурной сетки, то есть электроны, эмиттируемые из точки катода, не могут полностью осесть на прутке сетки. Увеличение расстояния фотокатод-сетка делает конструкцию более технологичной. В тоже время увеличение напряженности поля в предлагаемых катодных узлах (фиг.2) до значений поля, индуцируемого в прототипе за счет повышения разности потенциала или сокращения расстояния катод-сетка, позволяет в несколько раз улучшить временное разрешение ЭОП при сохранении остальных исходных характеристик качества изображения.
Все вышеизложенное подтверждено результатами компьютерного моделирования и стендовыми исследованиями макетных образцов.
Таким образом, предлагаемый катодный узел по сравнению с прототипом имеет преимущества, заключающиеся в упрощении конструкции катодного узла времяанализирующих ЭОП за счет отказа от использования сферических элементов, повышении надежности в эксплуатации при одновременном повышении качества изображения ЭОП. Упрощение конструкции и повышение надежности определяют снижение стоимости предлагаемого катодного узла по сравнению с прототипом.
ЛИТЕРАТУРА
1. Пат. РФ №2094897, H01J 31/50, 1996.03.06.
2. Пат. РФ №2228561, H01J 31/50, 2002.05.30 (прототип).