ЭЛЕКТРОННО-ОПТИЧЕСКИЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ Российский патент 1995 года по МПК H01J31/50 

Изобретение относится к электронной технике, в частности, к электронно-оптическим преобразователям (ЭОП) для анализа быстропротекающих процессов в режиме фотохронографической регистрации.

Известен ЭОП тип ПВ-001, способный работать в хронографическом режиме с субпикосекундным временным разрешением.

Прибор содержит фотокатод, систему фокусировки электронного пучка, отклоняющие системы, выходной люминесцентный экран.

Указанный прибор обладает следующим недостатком. В процессе работы в хронографическом режиме на фотокатод прибора проецируется щелевое изображение исследуемого объекта. Щелевое изображение образует ленточный электронный пучок, который разворачивается по экрану. При этом на экран кроме электронов с рабочего щелевого участка попадают электроны, вылетевшие с нерабочей части фотокатода в результате внешних засветок, термоэмиссии (темновых фототоков) и засветок фотокатода, вызванных отражением излучения от элементов электронной оптики внутри прибора. Эти электроны создают фоновые засветки на экране, ухудшая качество изображения. Высокий уровень фоновых засветок обусловлен значительным превышением площади нерабочего участка фотокатода по сравнению с площадью рабочего участка. Уменьшение площади фотокатода до размеров щелевого изображения проблему не решает, так как не дает возможности контролировать фототок в процессе напыления фотослоев во время изготовления фотокатода. Кроме того большая поверхность фотокатода приводит к динамическим искажениям изображения, обусловленным изменениями потенциального рельефа на поверхности фотокатода в режиме интенсивных фототоков.

Известен ЭОП с более сложной формой поверхности фотокатода, свободный от указанных недостатков. Этот ЭОП по своей технической сути может быть выбран в качестве прототипа предлагаемого изобретения. Прибор содержит фотокатод, изготовленный на светопрозрачной подложке, систему фокусировки электронного пучка, отклоняющие системы, выходной экран. При этом фоточувствительная поверхность фотокатода образована двумя полукольцами (образующими систему контроля при изготовлении фотокатода в приборе), соединенными перемычкой, служащей рабочим участком фотокатода и расположенной перпендикулярно к оптической оси прибора и направлению отклонения электронного пучка в процессе его развертки на экране, причем ширина перемычки не превышает размер регистрируемого изображения, а расстояние между полукольцами определяется допустимыми динамическими искажениями в режиме интенсивных засветок фотокатода.

Существенные недостатки прототипа (также как и ПВ-001) наблюдаются при использовании его в специальных целях, например, при временном анализе излучения точечного объекта. Такие задачи возникают при исследовании параметров пико- фемтосекундных лазеров, параметров волоконно-оптических линий связи, в лазерной дальнометрии и в других областях науки и техники. К недостаткам можно отнести следующее.

Известно, что оптический сигнал от светового источника на фотокатод удобнее всего передавать с помощью гибкого волоконно-оптического кабеля-световода, так как при этом на 1,5-2 порядка снижаются потери световой энергии по сравнению с другими методами переноса, например с помощью оптических систем, и имеется возможность произвольного расположения источника света и ЭОП (т.е. необязательно на одной оптической оси). Однако этот метод переноса не пригоден в случае, если подложкой фотокатода (одновременно являющейся входным окном ЭОП) служит стеклянная пластина, так как изображение на фотокатоде в этом случае будет увеличено и сильно размыто (особенно, если диаметр световода намного меньше толщины подложки), что приведет к ухудшению временного разрешения.

Использование волоконно-оптического диска (ВОД) в качестве подложки с достаточно высокой точностью позволяет перенести изображение на фотокатод. Однако при этом значительно возрастает себестоимость ЭОП, связанная с использованием ВОД. Кроме того возникают большие трудности, связанные с укреплением световода на поверхности ВОД и расположением его в центральной части фотокатода, что требует специальных приспособлений и значительного времени для настройки. Стыковка световода с ВОД сопровождается потерей световой энергии из-за неточного совмещения торцовых плоскостей световода и ВОД, а также несовпадения по размеру и расположению световода (особенно малого диаметра) и каналов ВОД. Существенным недостатком прототипа является также невозможность преобразования формы изображения оптического сигнала на фотокатоде, что ограничивает временное разрешение ЭОП, затрудняет обнаружение и уверенную регистрацию оптического сигнала.

Техническим результатом от использования предлагаемого изобретения является снижение стоимости прибора, снижение потерь световой энергии при переносе оптического сигнала от светового источника на фотокатод и упрощение эксплуатации прибора при фоторегистрации точечного объекта.

Для достижения данного технического результата в предлагаемом электронно-техническом преобразователе, содержащем расположенные вдоль электронно-оптической оси фотокатод, расположенный на светопрозрачной подложке, систему фокусировки электронного пучка, отклоняющие системы, выходной экран, причем фотокатод образован двумя дискретными элементами фоточувствительной поверхности, а именно вспомогательным участком фотокатода, образующим систему контроля фотокатода при его изготовлении, и рабочим участком фотокатода, являющимся фотоприемником регистрируемого излучения, светопрозрачная подложка выполнена составной из двух элементов, а именно светопрозрачной пластины с отверстием, расположенным на электронно-оптической оси, и световода, расположенного в этом отверстии и имеющего с этой пластиной вакуумноплотное соединение, при этом внутренняя поверхность светопрозрачной пластины имеет оптический контакт со вспомогательным участком фотокатода, а внутренняя торцовая сторона световода находится в оптическом контакте с рабочим участком фотокатода.

С целью улучшения временного разрешения за счет уменьшения масштаба переноса изображения на выходной экран, а также повышения надежности регистрации оптического сигнала за счет изменения формы изображения этого сигнала на фотокатоде, световод в области отверстия может иметь переменное сечение, торцовая сторона которого, находящаяся в оптическом контакте с рабочим участком фотокатода, имеет форму полосы, направленной перпендикулярно направлению развертки изображения отклоняющими системами.

На чертеже схематично представлен ЭОП (две проекции), выполненный согласно предлагаемому изобретению.

Как видно из чертежа, прибор имеет светопрозрачную подложку, состоящую из световода 1 и стеклянной пластины 2, внутренние поверхности которых находятся в оптическом контакте со вспомогательным участком фотокатода 3 и рабочим участком 4 соответственно, а также систему фокусировки электронного пучка, состоящую из ускоряющего электрода 5, фокусирующего электрода 6, анодной диафрагмы 7 и отклоняющую систему 8, позволяющую разворачивать электронный пучок 9 на экране (экран на чертеже не показан). Электрод 10 нанесен на внутреннюю поверхность светопрозрачной подложки и служит для подводки питающего напряжения к фотокатоду. Вспомогательный участок фотокатода 3 изготовлен в виде двух полуколец на внутренней стороне стеклянной пластины 2 и используется в технологических целях для контроля фототока при нанесении фоточувствительных слоев в процессе изготовления фотокатода.

Как видно из чертежа, световод 1 в области отверстия в пластине 2 имеет переменное сечение, позволяющее преобразовать световое изображение, переносимое световодом, в полосовое изображение на рабочем участке фотокатода 4.

Прибор работает следующим образом. Оптическое излучение, переносимое световодом 1, формирует на фотокатоде полосовое изображение. Фотоэлектроны, вылетевшие с фотокатода, ускоряются электрическим полем в прикатодной области, фокусируются электродами 5, 6, 7 системы фокусировки и попадают в пространство отклонения отклоняющей системы 8, где происходит развертка электронного пучка по экрану.

Такая конструкция ЭОП позволяет снизить стоимость прибора за счет исключения дорогостоящего ВОД на входе, уменьшить потери световой энергии за счет устранения оптического контакта между светопередающим устройством и ВОД, создаваемого путем механического совмещения этих элементов, а также упростить эксплуатацию прибора, исключив приспособления для совмещения с ВОД светопередающего устройства, а также центровки его относительно электронно-оптической оси.

Использование световода с переменным сечением позволяет изменить масштаб переноса изображения на фотокатод. Технология обработки стекла позволяет путем нагрева, вытягивания и давления изменять форму световодов, при этом имеется возможность не только менять форму изображения, но и, при необходимости, в несколько раз изменять рабочую площадь изображения. Таким образом можно сжимать изображение в одном направлении и расширять в другом направлении. Это позволяет, с одной стороны, увеличить временное разрешение (при той же скорости развертки), так как размер изображения на экране в направлении развертки уменьшается; с другой стороны, увеличение размера изображения в перпендикулярном направлении увеличивает вероятность обнаружения оптического сигнала и надежность его регистрации особенно в процессе высокоскоростной развертки, когда выходным экраном регистрируются несколько фотоэлектронов (вылетевших с элемента разрешения) или даже единичные фотоэлектроны.

На чертеже внутренняя торцовая поверхность световода 1 и внутренняя поверхность стеклянной пластины 2 расположены в одной плоскости, перпендикулярной электронно-оптической оси. Однако в процессе изготовления эти поверхности могут быть смещены, что приведет к нарушению однородности электрического поля в прикатодной области. Для различных вариантов возможных смещений этих поверхностей друг относительно друга были проведены расчеты электрических полей и электронных траекторий на ЭВМ применительно к электронно-оптическим системам типовых времяанализирующих ЭОП, близких к ПВ-001. Расчеты были проведены для световодов с постоянным круглым сечением и с переменным сечением, формирующим полосовое изображение, ширина которого определяется пределом разрешения ЭОП. Расчеты показали, что возможные смещения торцовой поверхности световода в одну сторону ускоряющего электрода в пределах 10% от расстояния между фотокатодом и этим электродом практически не ухудшают параметров изображения на экране. Технологические возможности позволяют обеспечить такую точность совмещения указанных поверхностей в процессе изготовления ЭОП. Смещение торцовой поверхности световода в другую сторону, приводящее к провалу в центральной части стеклянной пластины, нежелательно, так как это приводит к искажениям изображения на экране, особенно на периферийных его участках.

В настоящее время авторам из анализа научной и патентно-технической литературы неизвестны объекты, в которых есть признаки, являющиеся отличительными в заявляемом решении, т.е. техническое свойство анализируемого объекта ново, а именно не присущее известным объектам, в том числе аналогу. Заявляемое техническое решение представляет собой новую совокупность признаков, как сочетание известных признаков и нового технического свойства, т.е. имеет изобретательский уровень.

Предлагаемый ЭОП предназначен для анализа быстропротекающих процессов в режиме фотохронографической регистрации. Он может быть использован при исследовании параметров пико-, фемтосекундных лазеров, параметров волоконно-оптических линий связи, в лазерной дальнометрии и других областях науки и техники.

Использование: анализ быстропротекающих процессов в режиме фотохронографической регистрации. Сущность: в электронно-оптическом преобразователе светопрозрачная подложка выполнена составной из двух элементов, а именно светопрозрачной пластины с отверстием, расположенным на электронно-оптической оси, и световода, расположенного в этом отверстии и имеющего с этой пластиной вакуумноплотное соединение. Внутренняя поверхность светопрозрачной пластины имеет оптический контакт со вспомогательным участком фотокатода. Внутренняя торцевая сторона световода находится в оптическом контакте с рабочим участком фотокатода. Световод в области отверстия имеет переменное сечение. 1 з. п. ф-лы, 1 ил.

1. ЭЛЕКТРОННО-ОПТИЧЕСКИЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ, предназначенный для хронографической фоторегистрации, содержащий расположенные вдоль электронно-оптической оси фотокатод, расположенный на светопрозрачной подложке, систему фокусировки электронного пучка, отклоняющие системы, выходной экран, причем фотокатод образован двумя дискретными элементами фоточувствительной поверхности: вспомогательным участком фотокатода, образующим систему контроля при его изготовлении, и рабочим участком фотокатода, являющимся фотоприемником регистрируемого излучения, отличающийся тем, что светопрозрачная подложка выполнена составной из двух элементов: светопрозрачной пластины с отверстием, расположенным на электронно-оптической оси, и световода, расположенного в этом отверстии и имеющего с этой пластиной вакуумно-плотное соединение, при этом внутренняя поверхность светопрозрачной пластины имеет оптический контакт со вспомогательным участком фотокатода, а внутренняя торцевая сторона световода находится в оптическом контакте с рабочим участком фотокатода. 2. Преобразователь по п.1, отличающийся тем, что световод в области отверстия имеет переменное сечение, торцевая сторона которого, находящаяся в оптическом контакте с рабочим участком фотокатода, имеет форму полосы, направленной перпендикулярно направлению развертки изображения отклоняющими системами.