СПОСОБ ФОРМИРОВАНИЯ МАСШТАБИРОВАННОГО ИЗОБРАЖЕНИЯ НА ЭКРАНЕ ЭЛЕКТРОННО-ОПТИЧЕСКОГО ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 1995 года по МПК H01J31/50 

Изобретение относится к фотоэлектронной технике, а именно к способам создания масштабированного изображения на экране электронно-оптического преобразователя (ЭОПа) методом прямого переноса, а также к устройствам того же назначения.

Известны способы и устройство формирования изображения на экране ЭОПа методом прямого параллельного переноса с достаточно высоким коэффициентом усиления света (порядка 100) при малых искажениях изображения в равномерном электрическом поле высокого напряжения и с использованием электромагнитной фокусировки электронного потока [1]
Недостатком способа является невозможность получения коэффициента увеличения, отличного от 1, а также технические сложности, связанные с использованием соленоида фокусировки, его перегревом, нестабильностью характеристик, а следовательно, выходных параметров изображения на экране.

В устройстве осуществления данного способа, включающем ЭОП с фотокатодом (ФК) и люминесцентным экраном (ЛЭ), заключенный в соленоид фокусировки, недостатками являются неоптимальные массогабаритные характеристики, обусловленные использованием сильноточного соленоида магнитной фокусировки, а также невозможность изменения размеров изобретения [1]
В некоторых случаях использования ЭОПа изменение размеров изображения является принципиально необходимым.

В наиболее близком способе формирования масштабированного изображения для исследования рентгенограмм осуществляют прямой параллельный перенос электронного изображения с ФК на ЛЭ в равномерном электрическом поле при магнитной фокусировке электронного потока в межэлектродном промежутке [2]
Необходимый коэффициент масштабирования изображения получают созданием системы магнитных полей таких напряженностей, которые позволяют получать увеличенное изображение на ЛЭ в широком диапазоне значений при сохранении требуемого разрешения и яркости.

Для этого в используемом устройстве, содержащем ФК, ЛЭ, средства создания равномерного электрического поля и элементы магнитной фокусировки электронного потока в виде фокусирующих катушек, последние питаются токами, находящимися в заданном соотношении.

Недостатками известного решения являются как уже отмеченные ранее трудности, связанные с использованием электромагнитных линз, так и недостаточно хорошее качество изображения за счет таких абеppаций, как осевой астигматизм и кома, обусловленных сложностью осуществления соосности магнитного и электрических полей, создаваемых разными элементами.

Осевой астигматизм и кома резко ухудшают качество изображения, особенно при больших апертурах электронного пучка. Качество фокусировки в значительной степени будет зависеть от соосности (нарушения симметрии) электрического и магнитного полей.

Целью изобретения является расширение функциональных возможностей за счет масштабирования изображения в широких пределах, свободного от вышеуказанных аберраций.

В предлагаемой конструкции и способе достигается практически идеальная осевая симметрия магнитного и электрического полей за счет пространственного совмещения электродов, формирующих оба этих поля. Для этого в устройстве магнитопроводы (полюсные наконечники), окружающие кольцевые постоянные магниты, действуют как одно целое на эквипотенциальные линии электрического поля и в то же время подводят знакопеременное магнитное поле к электронному пучку.

Обычно для устранения поворота изображения в случае использования знакопеременного магнитного фокусирующего поля следует использовать четное количество кольцевых магнитов.

Лучшие результаты получены, как показали эксперименты, при условии обеспечения в области максимумов магнитной индукции нормальных друг к другу эквипотенциальных поверхностей магнитного и электрического полей. Это возможно достичь только при указанном пространственном совмещении.

Конкретно предлагаемый способ формирования масштабированного изображения на экране ЭОПа путем прямого параллельного переноса электронного изображения с ФК на ЛЭ в равномерном электрическом поле при магнитной фокусировке потока системой магнитных линз заключается в том, что магнитную фокусировку осуществляют воздействием на электронный поток периодической системы пар магнитных полей знакопеременной напряженности и регулируемой амплитуды, а равномерное электрическое поле создают подачей на полюсные наконечники постоянных магнитов периодической системы пропорционально возрастающих от ФК к экрану потенциалов, при этом изменение размеров изображения осуществляют монотонным изменением напряженностей магнитных полей в системе создающих их магнитных линз в соответствии со следующей зависимостью:
B k x^(1-М)sin x, где k коэффициент пропорциональности, зависящий от материала магнитных колец и формы полюсных наконечников (в пределах 5-90 Гс˙В^-1/2 ˙см^м-1;
U полное ускоряющее напряжение между ФК и ЛЭ,В;
L расстояние между ФК и ЛЭ, см;
n 1,2,3. количество пар магнитных полей;
х текущая координата с отсчетом от ФК, см;
М заданное увеличение/уменьшение изображения.

Приведенная зависимость является эмпирической, в которой коэффициент k характеризует область достижения указанного технического результата, при выходе за рамки приведенных значений которого последний не достигается.

По мере приближения к ЛЭ образующая синусоидального распределения магнитного поля может уменьшаться, увеличиваться или оставаться постоянной в зависимости от заданного электроннооптического увеличения М. При М > 1 имеет место увеличение изображения, при М < 1 его сжатие и при М 1 сохранение его размеров.

В предлагаемом устройстве ЭОПа с прямым параллельным переносом масштабированного изображения, включающем ФК, ЛЭ, средства создания равномерного электрического поля в межэлектродном промежутке и магнитные линзы фокусировки и масштабирования электронного потока последние выполнены в виде периодической системы пар коротких кольцевых постоянных магнитных линз с противоположными знаками напряженности в паре, снабженных встроенными в вакуумную оболочку прибора полюсными наконечниками, а средства создания равномерного электрического поля совмещены с указанными полюсными наконечниками, снабженными для этого вводами для подключения к источникам пропорционально возрастающего к ЛЭ напряжения, при этом внутренние диаметры d полюсных наконечников выполнены монотонно изменяющимися от ФК к ЛЭ.

Оптимальным решением является выполнение d в соответствии с зависимостью
d k2 x^(1-М), где k коэффициент пропорциональности, равный (1,4-8)˙10^-3 ˙В^-1/2˙см^м
х текущее расстояние от ФК, см;
М электроннооптическое увеличение/уменьшение изображения,
U полное ускоряющее напряжение между ФК и ЛЭ, В.

Таким образом устройство содержит аксиально намагниченные кольцевые магниты, помещенные в магнитопроводы (полюсные наконечники) и обращенные друг к другу одноименными полюсами.

Как уже указывалось, необходимо иметь четное количество кольцевых магнитов, создающих периодическое магнитное поле. При такой конструкции кольцевые магниты легко вписываются в конструкцию оболочки ЭОП, обеспечивая уменьшение веса и габаритов устройства.

Оболочка ЭОПа выполнена в виде спаенных между собой секций. Каждая секция включает два диска, являющиеся магнитопроводами, которые сварены с внутренним цилиндром из немагнитного материала, например, из нержавеющей стали. Секции спаяны через керамические кольца. После откачки и обработки ФК ЭОПа в пазы секций вставляются пары полукольцевых магнитов, например из SmCo₅, образующих фокусирующую периодическую систему.

Однородное электрическое поле создается с помощью системы кольцевых магнитопроводов, которые соединены между собой одинаковыми сопротивлениями, благодаря чему потенциал равномерно изменяется от кольца к кольцу, что влечет за собой равномерное изменение потенциала и в пространстве внутри колец, где поле поэтому будет близким к однородному.

При надлежащем выборе количества и размеров кольцевых магнитопроводов, осуществляемом на этапе инженерного проектирования, можно достичь хорошей степени однородности электрического поля в пространстве между плоским ФК и ЛЭ.

На чертеже изображен ЭОП.

Он показан с ФК 1, люминесцентным экраном 2, периодической системой пар кольцевых постоянных магнитов 3 с полюсными наконечниками 4, выполненными совместно с вакуумной оболочкой прибора.

Магнитные поля в соседних линзах направлены противоположно, при этом вдоль оси создается знакопеременное периодическое фокусирующее магнитное поле. При этом габаритные размеры прибора не увеличиваются и выходные параметры изображения сохраняются при значительном расширении функциональных возможностей за счет высоких значений коэффициента масштабирования изображения. Последний обеспечен возможностью в широких пределах монотонно изменять размер внутреннего диаметра полюсных наконечников периодической системы магнитных линз.

Поля рассеяния каждого из магнитов усиливают основное поле в зазоре каждого соседнего магнита, так что пиковое значение индукции в собранной системе будет значительно больше, чем максимум индукции отдельного элемента. При этом выигрыш в весе составляет N², где N протяженность магнитного поля.

В оптимальном варианте внутренний диаметр полюсных наконечников изменен в соответствии с ранее приведенной зависимостью
d k2 x^(1-М)
П р и м е р. Исследования макета устройства подтвердили возможность получения сильного сжатия электронного изображения при плоскопараллельном прямом переносе его с ФК на ЛЭ. Изготовленный макетный образец имеет рабочее поле ФК диаметром 18 мм, электронно-оптическое увеличение 0,16 это соответствует рабочему полю ЛЭ диаметром 3 мм. Периодическая магнитная фокусирующая система состоит из четырех кольцевых постоянных магнитов из SmCo₅ общим весом в 40 грамм, расположенных вдоль оптической длины ЭОПа, составляющей 36 мм. Максимальный диаметр оболочки ЭОПа со встроенной магнитной периодической системой составляет 30 мм. Максимальное ускоряющее напряжение на ЛЭ по отношению к заземленному ФК составляет 15 кВ, а максимумы амплитуд синусоидального распределения магнитной индукции изменяются от 240 до 1500 Гс в направлении к ЛЭ. Были достигнуты следующие параметры: пространственное разрешение относительно ФК 40 п.п./мм; дисторсия ≅1% усиление по яркости 6˙10³ кдм^-2/лк. Таким образом предложенное техническое решение может заменить дорогостоящие ЭОП с плоскопараллельным переносом и содержащие такие элементы, как МКП и ВОП, которые в свою очередь ухудшают контраст и отношение сигнал/шум усиливаемого изображения.

Использование: в фотоэлектронной технике, а именно способах и устройствах для создания масштабированного изображения на экране электронно-оптического преобразователя (ЭОПа). Сущность изобретения: ЭОП с прямым параллельным перекосом маштабированного изображения содержит фотокатод, люминесцентный экран и расположенные между ними постоянные магниты в виде системы периодической фокусировки из пар коротких кольцевых постоянных магнитов с противоположными знаками напряженности магнитного поля в паре, внутренние диаметры полюсных наконечников монотонно увеличиваются либо уменьшаются в направлении от фотокатода к люминесцентному экрану. Достигается практически идеальная осевая симметрия магнитного и электрического полей за счет пространственного совмещения электродов, формирующих оба эти поля. Для этого в устройстве на магнитопроводы (полюсные наконечники), окружающие кольцевые постоянные магниты, подают электрические потенциалы, формирующие равномерное электрическое поле в пространстве между фотокатодом и люминесцентным экраном. Приведена необходимая зависимость напряженности магнитных полей при заданном маштабировании и оптимальная зависимость внутренних диаметров полюсных наконечников от того же заданного параметра. Достигнуты следующие параметры: пространственное разрешение относительно фотокатода 40 п. п./мм дисторсия не более 1% усиление по яркости -6.10 кдм/лк. 2 с. и 2 з. п. ф-лы, 1 ил.

1. Способ формирования масштабированного изображения на экране электронно-оптического преобразователя путем прямого параллельного переноса электронного изображения с фотокатода на люминесцентный экран в равномерном электрическом поле и магнитной фокусировки потока в межэлектродном промежутке системой магнитных линз с возможностью его масштабирования, отличающийся тем, что магнитную фокусировку осуществляют воздействием на электронный поток периодической системы пар магнитных полей знакопеременной напряженности и регулируемой амплитуды постоянных магнитов, а равномерное электрическое поле создают подачей на полюсные наконечники магнитов периодической системы пропорционально возрастающих от фотокатода и люминисцентному экрану потенциалов, при этом изменение размеров изображения осуществляют монотонным изменением напряженностей магнитных полей в системе создающих их магнитных линз в соответствии со следующей зависимостью:

где B напряженность магнитного поля, Гс;
k коэффициент пропорциональности, зависящий от материала магнитных колец и формы полюсных наконечников и составляющий 5-90 Гс В^-1/2см^-1;
U полное ускоряющее напряжение между фотокатодом и экраном, В;
L расстояние между фотокатодом и экраном, см;
x текущая координата вдоль оси прибора от фотокатода, см;
n=1,2,3.-количество пар магнитных полей;
M заданное электронно-оптическое увеличение/уменьшение изображения
2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в областях максимумов магнитной индукции создают нормальные одна к другой эквипотенциальные поверхности указанных электрических и магнитных полей. 3. Электронно-оптический преобразователь с прямым параллельным переносом масштабированного изображения, включающий фотокатод, люминесцентный экран, средства создания равномерного электрического поля в межэлектродном промежутке и элементы магнитной фокусировки электронного потока в виде системы магнитных линз с возможностью масштабирования размеров электронного изображения, отличающийся тем, что магнитные линзы фокусировки и масштабирования размеров электронного изображения выполнены в виде периодической системы пар коротких кольцевых постоянных магнитов с противоположными знаками напряженности магнитного поля в паре, снабженных встроенными в вакуумную оболочку прибора полюсными наконечниками, а средства создания равномерного электрического поля совмещены с указанными полюсными наконечниками, снабженными для этого вводами для подключения к источникам пропорционально изменяющегося напряжения, при этом внутренние диаметры d полюсных наконечников выполнены монотонно изменяющимся от фотокатода к аноду. 4. Преобразователь по п.3, отличающийся тем, что внутренние диаметры d полюсных наконечников выбраны из отношения

где k коэффициент пропорциональнсти, равный (1,4-8) · 10^-3 В^-1/2 см^-1; x расстояние от фотокатода, см;
M заданное электронно-оптическое увеличение/уменьшение;
U полное ускоряющее напряжение между фотокатодом и экраном, В.