ЛАЗЕРНАЯ ЭЛЕКТРОННО-ЛУЧЕВАЯ ТРУБКА Российский патент 1995 года по МПК H01J31/08 H01J3/18 

Изобретение относится к лазерной технике и может быть использовано при создании электронно-лучевых трубок (ЭЛТ).

Известна лазерная ЭЛТ, содержащая корпус, в котором размещены прямонакальный катод, электронно-оптическая система и лазерная мишень, а также средство откачки [1].

Недостатком этой лазерной ЭЛТ является низкое значение КПД и недолговечность, обусловленные низким вакуумом в объеме ЭЛТ и малой надежностью прямонакального катода.

Наиболее близкой к предлагаемой является лазерная электронно-лучевая трубка с двумерным сканированием электронного пучка, содержащая вакуумированный корпус, электронный прожектор с системой управления положением пучка и лазерную мишень, выполненную в виде плоскопараллельной полупроводниковой пластины с нанесенными на ее противоположные поверхности зеркальными покрытиями, одно из которых - "глухое", а другое - полупрозрачное [2]. "Глухое" покрытие расположено со стороны падения возбуждающего электронного пучка, а полупрозрачное - с противоположной стороны пластины.

Недостатками такой трубки являются невысокие значения КПД лазерной мишени и мощности излучения в режиме двумерного сканирования лазерной мишени электронным пучком, обусловленные нели- нейным распределением плотности мощности накачки в объеме полупроводника, приводящим к нелинейному распределению коэффициента оптического усиления вдоль оси резонатора (Богданкевич О.В. и др. Полупроводниковые лазеры. М.: Наука, 1976, с. 200).

Кроме того, наличие мощного рентгеновского излучения, вызванного взаимодействием быстрых электронов пучка с мишенью, обусловлено применением в конструкции лазерных ЭЛТ материалов с незначительным коэффициентом ослабления рентгеновского излучения. Помимо опасности для окружающей среды рентгеновское излучение может вывести из строя аппаратуру, например систему охлаждения, за счет радиационно-стимулированного распада высоко- молекулярных углеводородных соединений, использующихся в качестве хладагентов лазерной мишени.

Целью изобретения является увеличение КПД и мощности излучения, уменьшение мощности дозы рентгеновского излучения.

Для этого лазерная электроннолучевая трубка с двумерным сканированием электронного пучка, содержащая вакуумированный корпус, электронный прожектор с системой управления положением пучка и лазерную мишень, выполненную в виде плоскопараллельной полупроводниковой пластины с нанесенными на ее противо- положные поверхности зеркальными покрытиями, одно из которых "глухое", а другое полупрозрачное, дополнительно снабжена электропроводящей подложкой, на которой размещена полупроводниковая пластина, и элементом, электрически связывающим обращенную к электронному прожектору поверхность плоскопараллельной полупроводниковой пластины лазерной мишени с подложкой, а электронный прожектор с системой управления расположен со стороны полупрозрачного зеркального покрытия под углом γ≅ 56 - α , где γ - угол между осью электронного прожектора и нормалью к плоскости пластины; α - угол между осью электронного прожектора и линией, соединяющей центр отклонения пучка с точкой пластины, максимально удаленной от центра отклонения.

В периферийной части полупрозрачного зеркального покрытия выполнено, по меньшей мере, одно отверстие-окно, через которое поверхность полупроводниковой пластины соединена электропроводящим элементом с подложкой.

Кроме того, глухое зеркало содержит слой металла с атомным номером Z ≥ 64, находящийся в механическом и тепловом контакте с подложкой, выполненной из металла, согласованного с пластиной полупроводника по коэффициенту линейного теплового расширения в диапазоне 80-430^оК, размещенный на пластине-теплоотводе, изготовленной из материала с высокой теплопроводностью в диапазоне 80-300^оК и обладающей высоким значением коэффициента ослабления рентгеновского излучения в спектральном диапазоне 30-60 КэВ.

Полупроводниковая пластина может быть выполнена из объемного кристалла или эпитаксиальной пленки.

Центр отклонения пучка - это точка пересечения касательной к траектории отклоненного пучка с осью прожектора (Миллер В.А., Куракин Л.А. Приемные электронно-лучевые трубки. М.: Энергия, 1971, с. 199).

Как показано в работе A.Laugier J. Microsc.. Spectrosc. Electron. 1984, 9, р. 259), с увеличением угла падения пучка плотности мощности накачки в объеме полупроводника становится более равномерным, но одновременно с этим растет коэффициент отражения энергии пучка от поверхности.

При углах падения, град: 0; 30; 45; 60 коэффициенты отражения соответственно равны 0,24; 0,28; 0,34; 0,43.

Как показали эксперименты, этот угол не должен превышать 56 град.

Необходимость введения электрического контакта между поверхностью полупроводниковой пластины и электродом- подложкой обуславливается явлениями зарядки границы "полупрозрачное зеркало - полупроводник" электронами пучка и влиянием потенциала этого заряда на форму растра и фокусировку пучка.

Благодаря предложенному взаимному расположению электронного прожектора с отклоняющей системой и лазерной мишени достигается повышение мощности излучения и КПД лазерной ЭЛТ в режиме двумерного сканирования, причем КПД увеличивается за счет равномерного распределения плотности мощности накачки вдоль оси резонатора, а мощность излучения увеличивается как за счет роста КПД, так и за счет значительного улучшения условий отвода тепла от лазерной мишени.

Отверстия в полупрозрачном отражающем покрытии мишени, электрически соединенные с электродом-подложкой, предотвращают зарядку мишени электронным пучком и обеспечивают стабильность мощности излучения, формы и размеров растра.

Предложенная конструкция подложки лазерной мишени обуславливает повышение КПД лазерной ЭЛТ за счет отражения в полупроводниковую пластину прошедших сквозь нее быстрых электронов, повышение долговечности мишени за счет минимизации термоупругих напряжений, а также уменьшение до допустимых значений мощности экспозиционной дозы рентгеновского излучения ЭЛТ.

Введенный в состав "глухого" зеркала слой металла с атомным номером Z ≥ 64, как показывают эксперименты, эффективно отражает обратно в полупроводник прошедшие сквозь него электроны.

Изобретение поясняется чертежом, на котором схематически изображена в разрезе ЭЛТ.

Трубка содержит вакуумированный корпус 1, выполненный из электровакуумного стекла, например С-52, в котором размещены электронный прожектор 2 с отклоняющей системой 3 электронного пучка 4 и лазерная мишень, состоящая из полупрозрачного зеркала 5, полупроводниковой пластины 6, "глухого" зеркала 7 со слоем металла 8 (например, вольфрама). Мишень установлена под углом не более чем 31 град. к оси электронного прожектора и размещена на металлической пластине 9, выполненной, например, из стабилизированного морозостойкого ковара 29 НКУ-НТ-0, имеющего согласованный с полупроводниковой пластиной 6 из А₂В₆ и А₃В₅ коэффициент линейного теплового расширения в диапазоне 80-450^оК. Пластина 9 размещена на пластине-теплоотводе 10, выполненной, например, из молибдена, имеющего согласованный с коваром в диапазоне 80-300^оК коэффициент линейного теплового расширения, равный 50х10^-7 1/град, высокую теплопроводность - 200 Вт/м^оК, высокую плотность (около 10 г/см³), и высокий коэффициент ослабления рентгеновского излучения в диапазоне энергий до 70-100 КэВ. В зеркале 5 выполнено, по меньшей мере, одно отверстие 11, через которое поверхность пластины 6 проводником 12, выполненным, например, из алюминия или углерода, электрически соединена с металлической пластиной 9. В корпусе выполнено оптическое окно 13 для вывода излучения во внешнюю среду. Полупроводниковая пластина 6 может быть выполнена из эпитаксиальной пленки.

Лазерная электронно-лучевая трубка работает следующим образом.

Электронный прожектор 2 формирует пучок 4 быстрых электронов, сканирующий с помощью отклоняющей системы 3 поверхность полупрозрачного зеркала 5. На противоположной стороне пластины 6 размещено "глухое" зеркало 7, образующее с зеркалом 5 резонатор Фабри-Перо. Часть быстрых электронов, проникающая сквозь пластину 6, отражается от слоя металла 8 и уходит в пластину 6, дополнительно возбуждая ее. Пластины 9 и 10 образуют формоустойчивый, согласованный по коэф- фициенту линейного теплового расширения с полупроводниковой пластиной 8, носитель лазерной мишени и обеспечивают эффективный отвод тепла от нее. Проводник 12 обеспечивает стекание заряда с поверхности полупроводниковой пластины 6 на металлическую пластину 9. Излучение вы- водится из ЭЛТ через окно 13 в корпусе 1.

Были изготовлены образцы лазерных ЭЛТ с конструкцией прототипа и предлагаемой конструкцией. Лазерные мишени этих ЭЛТ были изготовлены из идентичных пластин и имели одинаковые коэффициенты отражения полупрозрачных и "глухих" зеркал соответственно. Измерения параметров этих ЭЛТ показали, что КПД и мощности излучения предлагаемых ЭЛТ превышают аналогичные параметры ЭЛТ-прототипа на 30% и 46% соответственно. Уровень рентгеновского излучения со стороны лазерной мишени снизился на 1,5 порядка.

Использование: лазерная техника, в частности электронно-лучевые трубки (ЭЛТ). Сущность изобретения: ЭЛТ с двумерным сканированием электронного пучка содержит вакуумированный корпус, электронный прожектор с системой управления положением пучка и лазерную мишень (ЛМ), выполненную в виде плоскопараллельной полупроводниковой пластины (ПП) с нанесенными на ее противоположные поверхности зеркальными покрытиями, одно из которых "глухое", а другое полупрозрачное. ЛМ снабжена электропроводящей подложкой со стороны "глухого" зеркального покрытия и элементом, электрически связывающим обращенную к электронному прожектору поверхность ПП с подложкой, а электронный прожектор с системой управления расположен со стороны полупрозрачного зеркального покрытия под определенным углом к плоскости ПП. КПД и мощность излучения предлагаемых ЭЛТ превышают аналогичные параметры ЭЛТ-прототипа на 30% и 46% соответственно. Уровень рентгеновского излучения со стороны лазерной мишени снизился на 1,5 порядка. 3 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. ЛАЗЕРНАЯ ЭЛЕКТРОННО-ЛУЧЕВАЯ ТРУБКА с двумерным сканированием электронного пучка, содержащая вакуумированный корпус, электронный прожектор с системой управления положением пучка и лазерную мишень, выполненную в виде плоскопараллельной полупроводниковой пластины с нанесением на ее противоположные поверхности зеркальными покрытиями, одно из которых глухое, а другое полупрозрачное, отличающаяся тем, что трубка дополнительно снабжена электропроводящей подложкой, на которой размещена полупроводниковая пластина, и элементом, электрически связывающим обращенную к электронному прожектору поверхность плоскопараллельной полупроводниковой пластины лазерной мишени с проводящей подложкой, а электронный прожектор с системой управления расположен со стороны полупрозрачного зеркального покрытия под углом
γ ≅ 56^°-α ,
где γ - угол между осью электронного прожектора и нормалью к плоскости пластины;
a - угол между осью электронного прожектора и линией, соединяющей центр отклонения пучка с точкой пластины, максимально удаленной от центра отклонения. 2. Трубка по п.1, отличающаяся тем, что на периферийном участке полупрозрачного зеркального покрытия выполнено по меньшей мере одно отверстие-окно, через которое поверхность плоскопараллельной полупроводниковой пластины соединена электропроводящим элементом с проводящей подложкой. 3. Трубка по п. 1, отличающаяся тем, что глухое зеркало содержит слой металла с атомным номером Z ≥ 64, находящийся в механическом и тепловом контакте с проводящей подложкой, выполненной из металла, согласованного с материалом плоскопараллельной полупроводниковой пластины по коэффициенту линейного теплового расширения в диапазоне значений температуры 80-430 К, размещенный на пластине-теплоотводе, изготовленной из материала с высокой теплопроводностью в диапазоне значений температуры 80-300 К, обладающего высоким значением коэффициента ослабления рентгеновского излучения в спектральном диапазоне 30-60 КэВ. 4. Трубка по п.1, отличающаяся тем, что плоскопараллельная полупроводниковая пластина выполнена из объемного кристалла или эпитаксиальной пленки.