СПОСОБ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ИЗОБРАЖЕНИЙ ВНЕШНИХ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ ВОЗДЕЙСТВИЙ В ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ СИГНАЛ И ЭЛЕКТРОННО-ЛУЧЕВОЕ ВАКУУМНОЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 1997 года по МПК H01J31/48 H01J31/58 

Изобретение относится к электронной технике и технологии и может быть использовано при преобразовании внешних излучений в электрический сигнал.

Известен способ преобразования изображений внешних энергетических воздействий в электрический сигнал, включающий запись изображения внешнего энергетического воздействия на усилительной микроканальной пластине (МПК), подключенной к источнику напряжения питания, при совпадении направлений усиления в каналах пластины с направлением поступления внешнего воздействия, и считывание записи изображения внешнего воздействия электронным лучом, развернутым по поверхности пластины в прямоугольной растр, при величине тока, соответствующей режиму насыщения каналов пластины, и регистрацией выходных сигналов на коллекторном электроде, расположенном со стороны пластины, противоположной записи, когда сканирование пластины током электронного луча осуществляют со стороны записи (авт. св. СССР 693482, кл. H 01 J 31/58, 1982).

Также известно электронно-лучевое устройство для преобразования изображений внешних энергетических воздействий в электрический сигнал, содержащее корпус с прозрачным для внешнего энергетического воздействия входным окном и с контактами для подсоединения к источникам напряжения, установленную в корпусе усилительную микроканальную пластину, размещенный на ней плоский коллекторный электрод и размещенные со стороны входного окна корпуса электронный прожектор для формирования считывающего луча и отклоняющую для создания на поверхности пластины прямоугольного считывающего растра, которое реализует упомянутый способ (там же).

Недостатками известных способа и устройства являются искажение при преобразовании изображения внешнего электрического воздействия и ограничение функциональных возможностей импульсным режимом записи и считывания.

Задачей изобретения является устранение искажений записи изображения внешнего энергетического воздействия в процессе его считывания и расширение функциональных возможностей за счет обеспечения возможности реализации в дополнение к импульсному непрерывных режимов записи и считывания.

Поставленная задача решается тем, что в способе преобразования изображений внешних энергетических воздействий в электрический сигнал, включающий запись изображения внешнего энергетического воздействия на усилительной микроканальной пластине, подключенной к источнику напряжения питания, при совпадении направления усиления в каналах пластины с направлением поступления внешнего энергетического воздействия, и считывание записи с пластины при ее сканировании током электронного луча, значение которого соответствует режиму насыщения каналов пластины, и регистрацией выходных сигналов на коллекторном электроде, расположенном со стороны пластины, противоположном записи, согласно изобретению сканирование пластины электронным лучом осуществляют со стороны коллекторного электрода с энергией, при которой коэффициент вторичной электронной эмиссии больше единицы, с глубиной проникновения в каналы МПК не более 0,1 длины канала.

Это позволяет исключить искажения записи изображения внешнего энергетического воздействия и расширить функциональные возможности за счет возможности реализации как импульсного, так и непрерывного режимов записи и считывания при уменьшении угла между осями каналов пластины и считывающего луча и отсутствии пересечений траекторий записываемого и считывающего лучей с использованием усилительной микроканальной пластины в качестве двухсторонней запоминающей мишени.

В предпочтительном варианте считывающий луч направляют на поверхность пластины таким образом, что глубина его проникновения в каналы пластины составляет не более 0,5 ее толщины.

Это позволяет при постоянной величине проникновения луча в каналы пластин, выбранной из указанного интервала, использовать при считывании ее усилительные свойства и обеспечить постоянство условий взаимодействия электронного луча со стенками каналов пластины и постоянной величины усиления вторичных электронов в обратном направлении при формировании результатирующего луча, используемого при формировании электрического сигнала.

Способ предусматривает возможность реализации аналогового режима преобразования изображения внешнего энергетического воздействия, когда запись осуществляют с интенсивностью, максимальный уровень который за время записи в пределах диаметра считывающего луча соответствует неравенству

где q_max максимальный уровень записи, Кл;
с емкость пластины, Ф;
U напряжение питания пластины, B;
n число каналов пластины в пределах диаметра считывающего луча;
N общее число каналов в пластине;
k коэффициент усиления пластины;
g коэффициент эффективности регистрации микроканальной пластиной внешнего энергетического воздействия, предпочтительно при минимальном уровне за время записи в пределах диаметра считывающего луча, соответствующем неравенству
q_min ≅ 0,1 q_max, (2)
где q_min минимальный уровень записи, Кл;
что соответствует числу градаций телевизионных систем или преобразования изображения внешнего энергетического воздействия по аналогии с газетным вариантом воспроизводства изображений, когда запись осуществляют интенсивностью, максимальный уровень которой за время записи в пределах диаметра считывающего луча соответствует непрерывному неравенству

где q_1max максимальный уровень записи, Кл;
и, предпочтительно, при минимальном уровне за время записи в пределах диаметра считывающего луча, соответствующем уравнению
q_1min 0, (4)
где q_1min минимальный уровень записи, Кл.

Одним из вариантов реализации способа предусмотрено сканирование пластины электронным лучом, развернутым по ее поверхности в растр, при этом возможно осуществление записи внешнего энергетического воздействия и его считывание в импульсном режиме, когда в оптимальном варианте для сохранения потенциального рельефа записи длительность считывающего кадра растра задают, исходя из неравенства
t_к ≅ 0,1 R•c, (5)
где t_к длительность считывающего кадра растра, с;
R сопротивление пластины, Ом;
длительность процесса записи задают не более 0,1 t_к, а время включения считывающего растра задают превышающим время записи не более, чем на 0,01 t_к, при этом желательно для снижения энергоемкости подавать напряжение питания на усиленную микроканальную пластину импульсно только на время от начала записи внешнего энергетического воздействия до окончания его считывания с пластины, и наиболее предпочтительно для снижения влияния на другие устройства и окружающую среду между импульсами подачи на микроканальную пластину напряжения питания подавать на нее постоянное напряжение, составляющее (0,5 0,7) U.

В этом случае вариантом реализации способа предусмотрено осуществление записи внешнего энергетического воздействия в непрерывном режиме, а его считывание с усилительной микроканальной пластины однократным считывающим растром или непрерывно, когда время считывающего кадра растра задают в соответствии с неравенством
t_1к ± R•c, (6)
где t_1к время кадровой развертки считывающего растра, с.

В предпочтительном варианте возможно осуществление записи изображения внешнего энергетического воздействия на усилительной микроканальной пластине после предварительного преобразования в излучение диапазона ее чувствительности, что расширяет функциональные возможности способа за счет расширения диапазона частот записывающих изображений.

Поставленная задача также решается тем, что электронно-лучевое вакуумное устройство для преобразования изображений внешних энергетических воздействий в электрический сигнал, содержащее корпус с прозрачным для внешнего энергетического воздействия входным окном и контактами для подключения к источникам напряжения, установленную в корпусе усилительную микроканальную пластину, размещенный на ней плоский коллекторный электрод, электронный прожектор для формирования считывающего луча и отклоняющую для создания на поверхности пластины считывающего растра, согласно изобретению снабжено мелкоструктурной сеткой, установленной за коллекторным электродом, который выполнен в виде мелкоструктурной сетки, электронный прожектор и отклоняющая система расположены за коллекторным электродом и мелкоструктурной сеткой, при этом усилительная микроканальная пластина, коллекторный электрод и мелкоструктурная сетка расположены параллельно и соосно, и желательно, их рабочие области имеют одинаковую форму, соответствующую форме считывающего растра.

Такая конструкция устройства позволяет реализовать использование усилительной микроканальной пластины в качестве двухсторонней запоминающей мишени как при импульсном, так и при непрерывном режиме записи и считывания и исключает искажения при считывании записи изображения внешнего энергетического воздействия с пластины за счет отсутствия пересечений записываемого луча со считывающим.

В предпочтительном варианте устройство снабжено пленочным фотокатодом с чувствительностью в рентгеновском и/или ультрафиолетовом диапазонах излучения, расположенным на входной поверхности усилительной микроканальной пластины, что позволяет обеспечить работоспособность устройства в указанных диапазонах внешнего излучения, исключив образование искажений при считывании за счет внешних энергетических воздействий других диапазонов, к которым устройство становится невосприимчивым.

В другом предпочтительном варианте устройство снабжено пленочным тококатодом с чувствительностью в видимом и/или ближнем ультрафиолетовом и/или ближнем инфракрасном диапазонах излучения, размещенным на внутренней поверхности входного окна корпуса, и расположенной на входной поверхности усилительной микроканальной пластины сплошной металлической пленкой, прозрачной для фотоэлектронного потока и непрозрачной в диапазоне чувствительности фотокатода.

Это позволяет обеспечить работоспособность устройства в диапазоне чувствительности фотокатода.

Возможен вариант выполнения устройства с усилительной микроканальной пластиной, калибр которой составляет 60 120, что позволяет увеличить чувствительность устройства к внешнему излучению, обеспечив вывод каналов пластины в режим насыщения при попадании в них хотя бы одного электрона.

На фиг. 1 изображена схема электронно-лучевого вакуумного устройства для реализации способа; на фиг. 2 фрагмент устройства с пленочным фотокатодом; на фиг. 3 то же, с пленочным фотокадом и металлической пленкой.

Электронно-лучевое вакуумное устройство для преобразования изображений внешних энергетических воздействий в электрический сигнал содержит корпус 1 с входным окном 2, прозрачным для внешнего энергетического воздействия, последовательно соосно установленные в корпусе 1 по направлению от окна 2 усилительную микроканальную пластину 3, предпочтительно с калибром 60 120, соединенную с источником 4 напряжения питания, плоский коллекторный электрод 5, соединенный через резистор 6 с источником 7 напряжения и выполненный в виде мелкоструктурной сетки, мелкоструктурную сетку 8, соединенную с источником 9 напряжения, отклоняющую систему 10 для создания на поверхности пластины 3, например, прямоугольного, считывающего растра электронным лучом, формируемым электронным прожектором 11. Пластина 3, коллекторный электрод 5 и мелкоструктурная сетка 8 размещены параллельно, а их рабочие области имеют, например, прямоугольную форму, размеры которой соответствуют прямоугольному считывающему растру, создаваемому лучом отклоняющей системы 10 прожектора 11.

При записи изображений внешних энергетических воздействий в рентгеновском и/или ультрафиолетовом диапазонах излучения устройство снабжено расположенным на входной поверхности пластины 3 пленочным фотокатодом 12 с чувствительностью в диапазоне записываемого излучения.

При записи изображений внешних энергетических воздействий в видимом и/или ближнем ультрафиолетовом и/или ближнем инфракрасном диапазонах излучения устройство снабжено пленочным фотокатодом 13 с чувствительностью в диапазоне записываемого излучения, размещенным на внутренней поверхности входного окна 2, и сплошной металлической пленкой 14, прозрачной для фотоэлектронного потока и непрозрачной в диапазоне чувствительности фотокатода 13, размещенной на входной поверхности усилительной микроканальной пластины 3.

На данном устройстве предлагаемый способ реализуется следующим образом.

Изображение внешнего энергетического воздействия в виде излучения в инфракрасном, видимом, ультрафиолетовом или рентгеновском диапазона проходит в корпус 1 через окно 2 и воздействует на усилительную микроканальную пластину 3. Для записи изображений внешних энергетических воздействий, к которым пластины 3 не чувствительна, внешнее излучение пропускает через пленочный фотокатод 12 или через пленочный фотокатод 13 и металлическую пленку 14, преобразуя его в фотоэлектронный поток. При взаимодействии с пластиной 3 лучи изображения внешнего энергетического воздействия или фотоэлектронный поток, вызванный ими при прохождении фотокатода 12 или 13, при совпадении направления поступления внешнего энергетического воздействия с направлением усилия в каналах пластины 3 вызывают появление положительных зарядов в них, особенно в их выходной части. Запись изображения можно осуществлять в соответствии с условиями (1) и (2) или (3) и (4), то есть в условиях аналоговой или неаналоговой записи. В случае соблюдения условия (1) и, предпочтительно, условия (2) входное энергетическое воздействие в каждом канале пластины 3 создает пропорциональный входной интенсивности положительный заряд. При соблюдении условия (3) и, предпочтительно, условия (4) в основном используют пластину 3 с калибром 60 120 и наличие входного сигнала на участке расположения канала пластины 3 гарантирует его вывод в состояние насыщения и резкое падение коэффициента усиления на участке данного канала. В этом случае потенциальный рельеф, соответствующий изображению входного сигнала, определяется расположением каналов пластины 3, выведенных в состояние насыщения. Потенциальный рельеф записи входного сигнала при импульсном режиме работы сохраняется на стенах каналов пластины 3 и в течение времени восстановления исходного распределения зарядов, определяемого сопротивлением и емкостью пластины 3, обычно составляющего 10^-2 10^-1 с, что достаточно для однократного считывания.

Для считывания записи изображения внешнего энергетического воздействия электронным прожектором 11 создают электронный луч, величина которого соответствует режиму насыщения каналов пластины 3, из которого отклоняющая система 10 формирует на поверхности пластины 3, например, прямоугольный, считывающий растр, сканирующий поверхность пластины 3. Коллекторный электрод 5, выполненный в виде мелкоструктурной сетки, и мелкоструктурная сетка 8 являются прозрачными для электронного луча прожектора 11 и не препятствуют его прохождению к поверхности пластины 3. Кроме того, наличие мелкоструктурной сетки 8, к которой подают напряжение от источника 9, создает электрическое поле, в сочетании с электродами прожектора 11 изменяющее траекторию считывающего луча, для обеспечения проникновения на глубину 0,1 0,5 толщины пластины 3 в ее каналы, которое определяет оптимальные условия считывания потенциального рельефа записи входного сигнала. Коэффициент усиления пластины 3 определяет вид записи потенциального рельефа, поэтому выходной ток с пластины 3 модулирован в соответствии с потенциальным рельефом записи изображения входного сигнала и по величине пропорционален остаточному электронному потоку считывающего луча, который не использован на вывод каналов пластины 3, уже выведенных в состояние насыщения. Возникающий при сканировании поверхности пластины 3 электронный поток захватывается коллекторным электродом 5 под действием потенциала источника 7. Прошедшие через коллекторный электрод 7 электроны тормозятся электрическим полем мелкоструктурной сетки 8 и возвращается на коллекторный электрод 5. На резисторе 6, включенном в цепь коллекторного электрода 5, аналогичному тому, как это происходит в телевизионных электронно-лучевых трубках, происходит формирование выходного электрического сигнала.

При импульсном режиме работы устройства напряжение от источника 4 на пластину 3 подают непрерывно или импульсно на время записи изображения внешнего энергетического воздействия и его считывания, а в интервале между импульсами, предпочтительно, подают напряжение 0,5 0,7 U, при котором коэффициент усиления пластины близок к единице и что снижает при работе уровень радиопомех, влияющих на окружающую среду и другую электронную аппаратуру. Соблюдение в этом случае условия (5) и условий длительности процесса записи и длительности включения считывающего растра позволяет за время считывания сохранить в неизмененном виде потенциальный рельеф записи входного сигнала или при его уменьшении до 10% на последних строках растра ввести корректирующее воздействие внешними машинными средствами обработки.

При непрерывном режиме работы устройства соблюдение условия (6) обеспечивает возвращение выведенных в состояние насыщения каналов пластины 3 в исходное состояние при подаче от источника 4 напряжения питания за время t_1к, что обеспечивает при повторном считывании потенциального рельефа с того же участка пластины 3 получить изображение только внешнего энергетического воздействия, не содержащее следов считывающего луча.

Пример. В устройстве для преобразования изображения внешнего энергетического воздействия в электрический сигнал используется усилительная микроканальная пластина, имеющая диаметр 34 мм, диаметр канала 10 мкм, коэффициент полезной площади пластины составляет 0,6, сопротивление 5•10⁸ Ом, емкость 10 пФ, а коэффициент усиления при напряжении питания 1 кВ составляет 10⁴. Электронный прожектор и отклоняющая система создают считывающий растр с количеством считывающих строк 300, длительностью кадровой развертки 25•10^-3 с и длительностью строки 65 мкс, в котором плотность тока считывающего луча постоянна, а диаметр составляет 60 мкм. По исходным данным рассчитываем, что в пределах диаметра считывающего луча, то есть элемента изображения, укладывается 21 канал пластины. Сопротивление резистора в цепи коллекторного электрода и емкости коллекторного электрода и входного усилителя определяют полосу частот пропускания входной цепи, заданную данными считывающего растра, поэтому при заданной суммарной емкости коллекторного электрода и входного усилителя, равной 10 пФ, сопротивление резистора составляет 3 кОм. В таком устройстве при непрерывном режиме записи и считывания для максимального уровня записи при считывании амплитуды выходного сигнала напряжение составляет 0,3 мВ, а для минимального уровня записи 1 мВ.

Таким образом, предлагаемые способ и устройство при отсутствии искажений при преобразовании обеспечивают возможность реализации записи и считывания изображения внешнего энергетического воздействия как в импульсном, так и в непрерывном режимах.

Использование: в электронной технике. Сущность изобретения: способ предусматривает запись изображения внешнего энергетического воздействия на усилительную микроканальную пластину, подключенную к источнику напряжения питания, и его считывание со стороны, противоположной записи, путем сканирования электронным лучом со значением тока, обеспечивающим вывод каналов пластины в состояние насыщения, и регистрацией изображения на плоском коллекторном электроде, выполненном в виде мелкоструктурной сетки и расположенном со стороны считывания микроканальной пластины. 2 с. и 17 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Способ преобразования изображений внешних энергетических воздействий в электрический сигнал, включающий запись изображения внешнего энергетического воздействия на усилительной микроканальной пластине, подключенной к источнику напряжения питани, при совпадении направлений усиления в каналах пластины с направлением поступления внешнего воздействия и считывание записи изображения внешнего энергетического воздействия с пластины при ее сканировании током электронного луча, значение которого соответствует режиму насыщения каналов пластины, регистрацию выходных сигналов на коллекторном электроде, расположенном со стороны пластины, противоположной записи, отличающийся тем, что сканирование пластины электронным лучом осуществляют со стороны коллекторного электрода с энергией, при которой коэффициент вторичной электронной эмиссии больше единицы, при этом считывающий луч направляют таким образом, что глубина его проникновения в каналы пластины составляет не менее 0,1 от ее толщины. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что считывающий луч направляют на поверхность пластины таким образом, что глубина его проникновения в каналы пластины составляет не более 0,5 ее толщины. 3. Способ по п. 1 или 2, отличающийся тем, что запись осуществляют с интенсивностью, максимальный уровень которой за время записи в пределах диаметра считывающего луча соответствует неравенству

где q_m a x максимальный уровень записи, Кл;
С емкость пластины, Ф;
U напряжение питания пластины, В;
n число каналов пластины в пределах диаметра считывающего луча;
N общее число каналов в пластине,
K коэффициент усиления пластины;
g -коэффициент эффективности регистрации микроканальной пластиной внешнего энергетического воздействия. 4. Способ по п. 3, отличающийся тем, что запись осуществляют с интенсивностью, минимальный уровень которой за время записи в пределах диаметра считывающего луча соответствует неравенству
q_m i n ≅ 0,1 q_m a x,
где q_m i n минимальный уровень записи, Кл;
q_m a x максимальный уровень записи, Кл;
5. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что запись осуществляют с интенсивностью, максимальный уровень которой за время записи в пределах диаметра считывающего луча соответствует неравенству

где q_{1 m a x} максимальный уровень записи, Кл;
g -коэффициент эффективности регистрации микроканальной пластиной внешнего энергетического воздействия;
С емкость пластины, Ф;
U напряжение питания пластины, В;
N и n соответственно общее число каналов в пластине и в пределах диаметра считывающего луча;
К коэффициент усиления пластины. 6. Способ по п. 5, отличающийся тем, что запись осуществляют с интенсивностью, минимальный уровень которой за время записи в пределах диаметра считывающего луча соответствует уравнению
q_{1 m i n} 0,
где q_{1 m i n} минимальный уровень записи, Кл. 7. Способ по любому из пп.1 6, отличающийся тем, что сканирование пластины осуществляют электронным лучом, развернутым по ее поверхности в растр. 8. Способ по п. 7, отличающийся тем, что запись изображения внешнего энергетического воздействия и ее считывание с пластины осуществляют импульсно, при этом длительность считывающего кадра растра задают в соответствии с неравенством
t_k ≅ 0,1R • C,
где t_к длительность считывающего кадра растра, с;
R сопротивление пластины, Ом;
С емкость пластины, Ф;
длительность процесса записи задают не более 0,1t_к, а время включения считывающего растра задают превышающим время записи не более, чем на 0,01t_к. 9. Способ по п. 8, отличающийся тем, что напряжение питания на усилительную микроканальную пластину подают импульсно только на время от начала записи изображения внешнего энергетического воздействия до окончания его считывания с пластины. 10. Способ по п.9, отличающийся тем, что в интервале между импульсами подачи на микроканальную пластину напряжения питания и на нее подают постоянное напряжение, составляющее (0,5 0,7) U. 11. Способ по п. 7, отличающийся тем, что запись изображения внешнего энергетического воздействия осуществляют в непрерывном режиме. 12. Способ по п.11, отличающийся тем, что считывание записи изображения внешнего энергетического воздействия с усилительной микроканальной пластины осуществляют непрерывно, а время считывающего кадра растра задают в соответствии с неравенством
t_1к ≥ R • С,
где t_1 к время кадровой развертки считывающего растра, с;
R и С соотвественно сопротивление (Ом) и емкость (Ф) пластины. 13. Способ по п. 11, отличающийся тем, что процесс считывания записи внешнего энергетического воздействия с усилительной микроканальной пластины осуществляют однократным считывающим растром. 14. Способ по любому из пп.1 13, отличающийся тем, что запись изображения внешнего энергетического воздействия осуществляют после предварительного преобразования в излучение диапазона чувствительности усилительной микроканальной пластины. 15. Электронно-лучевое вакуумное устройство для преобразования изображений внешних энергетических воздействий в электрический сигнал, содержащее корпус с прозрачным для внешнего энергетического воздействия входным окном и контактами подсоединения к источникам напряжения, установленную в корпусе усилительную микроканальную пластину, размещенный за ней плоский коллекторный электрод, электронный прожектор для формирования считывающего луча и отклоняющую систему для создания на поверхности пластины считывающего растра, отличающееся тем, что оно снабжено мелкоструктурной сеткой, установленной за коллекторным электродом, который выполнен в виде мелкоструктурной сетки, электронный прожектор и отклоняющая система расположены за коллекторным электродом и мелкоструктурной сеткой, при этом усилительная микроканальная пластина, коллекторный электрод и мелкоструктурная сетка расположены параллельно и соосно. 16. Устройство по п.15, отличающееся тем, что усилительная микроканальная пластина, коллекторный электрод и мелкоструктурная сетка выполнены с одинаковыми рабочими областями, соответствующими форме считывающего растра. 17. Устройство по п.15 или 16, отличающееся тем, что оно снабжено пленочным фотокатодом с чувствительностью в рентгеновском и/или ультрафиолетовом диапазонах излучения, расположенным на входной поверхности усилительной микроканальной пластины. 18. Устройство по п.15 или 16, отличающееся тем, что оно снабжено пленочным фотокатодом с чувствительностью в видимом, и/или ближнем ультрафиолетовом, и/или ближнем инфракрасном диапазонах излучения, размещенным на внутренней поверхности входного окна корпуса, и системой переноса фотоэлектронного изображения с расположенной на входной поверхности усилительной микроканальной пластины сплошной металлической пленкой, прозрачной для фотоэлектронного потока и непрозрачной в диапазоне чувствительности пленочного фотокатода. 19. Устройство по любому из пп.15 18, отличающееся тем, что усилительная микроканальная пластина выполнена с калибром 60 120.