ИМПУЛЬСНЫЙ ЭЛЕКТРОННО-ОПТИЧЕСКИЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ДЛЯ ВРЕМЕННОГО АНАЛИЗА ИЗОБРАЖЕНИЙ Российский патент 1997 года по МПК H01J31/50 

Изобретение относится к электронной технике, в частности к электронно-оптическим преобразователям, используемым для временного анализа быстропротекающих процессов, сопровождающихся оптическим излучением.

Известен ЭОП [1] содержащий фотокатод, ускоряющий электрод, фокусирующий электрод, анод, систему развертки электронного луча в виде двух пар электростатических отклоняющих пластин, люминесцентный экран. Работает прибор следующим образом. На фотокатод проектируют изображение исследуемого процесса в виде узкой щели. Возбужденные под действием света фотоэлектроны ускоряются при помощи ускоряющего сетчатого электрода, на который подается потенциал 3 кВ и фокусируются на люминесцентном экране при помощи электростатической линзы, образованной фокусирующим электродом и анодом, между которыми прикладывается потенциал 12 кВ. При подаче на отклоняющие пластины напряжения развертки щелевое изображение разворачивается по люминесцентному экрану. Яркость в каждой точке экрана соответствует яркости процесса. Зная скорость развертки, можно определить временную структуру изображения. Физическое временное разрешение ЭОП можно определить по формуле [2]

где Δt дисперсия времен пролета фотоэлектронов от фотокатода до системы отклонения;
E₀- напряженность поля у фотокатода;
(e, m заряд и масса электрона соответственно).

Z_c, Z_B- координаты ускоряющего электрода и системы развертки соответственно;
Ф_(z) потенциал вдоль оси ЭОП;
V_oz нормальная составляющая начальной скорости фотоэлектрона.

Первый член формулы (1) характеризует дисперсию времен пролета фотоэлектронов в промежутке фотокатод-ускоряющий электрод, второй член формулы (1) характеризует дисперсию времен пролета электронов в фокусирующей системе. Из выражения (1) ясно, что чем короче фокусирующая система, тем меньше дисперсия времен пролета электронов и, следовательно, тем лучше физическое временное разрешение ЭОП.

Техническое временное разрешение ЭОП τ_тех равно

где w размер разрешимого элемента изображения;
v скорость развертки.

Временное разрешение ЭОП τ равно

Прибор, описанный выше, обладает высоким техническим временным разрешением за счет хорошей фокусировки электронного луча (пространственное разрешение 17,5 пар лин./мм; элемент разрешения имеет диаметр 0,03 мм). Физическое разрешение прибора не оптимально из-за достаточно протяженного участка фокусировки и значительного расстояния от фотокатода до пластин развертки (170 мм).

Известен ЭОП [3] выбранный в качестве прототипа, содержащий фотокатод, анод, роль которого играет пассивная микроканальная пластина (МКП), пластины развертки, люминесцентный экран.

Работает устройство следующим образом. Эмиттированные под действием исследуемого излучения электроны ускоряются в промежутке фотокатод-анод и движутся в направлении люминесцентного экрана. При подаче на пластины развертки отклоняющих напряжений луч разворачивается по поверхности экрана. При этом происходит пространственно-временное преобразование исследуемого процесса.

Часть электронов, которые вылетели со значительными радиальными скоростями, попадают на стенки каналов МКП и не проходят на люминесцентный экран. Те электроны, которые попадают на экран, образуют кружок размытия, равный элементу разрешения.

Поскольку данный ЭОП не имеет фокусирующей системы, а люминесцентный экран находится на значительном расстоянии от анода (30 мм), пространственное разрешение прибора весьма мало и составляет 0,84 пар лин./мм (элемент разрешения имеет диаметр 0,6 мм).

Цель изобретения увеличение временного разрешения и повышение яркости изображения.

Для этого в ЭОП, содержащем фотокатод, анод, систему развертки электронного луча, люминесцентный экран, фотокатод и анод представляют собой сферические поверхности, направленные выпуклостью от люминесцентного экрана, при этом анод прозрачен к электронному потоку, а основные геометрические размеры прибора могут быть найдены из следующих соотношений:

где R_k радиус кривизны фотокатода, мм;
R_a радиус кривизны анода, мм;
L_k-a расстояние от фотокатода до анода, мм.

Работает устройство следующим образом. Изображение исследуемого светового импульса в виде узкой щели (50-100 мкм) проектируют на фотокатод. Между фотокатодом 1 и анодом 2 прикладывается ускоряющее напряжение 10-15 кВ (поз. 6 фиг.1). Возбужденные под действием света фотоэлектроны ускоряются, проходят отклоняющие пластины 3 и фокусируются на люминесцентном экране 4. Ускорение и фокусировка осуществляются электродом 2, который за счет собственной кривизны и кривизны фотокатода искривляет силовые линии электрического поля в прикатодной области. При подаче линейно нарастающего напряжения на отклоняющие пластины 3 происходит развертка изображения по люминесцентному экрану в направлении, перпендикулярном щели. По модуляции яркости судят о временной структуре исследуемого изображения.

Геометрические параметры электродов рассчитывались таким образом, чтобы масштаб электронно-оптического увеличения не превышал 3,5 и фокусировка изображения осуществлялась на расстоянии 40-70 мм от фотокатода. Это позволяет, с одной стороны, получить приемлемые габариты прибора, с другой стороны, не потерять яркость изображения за счет очень большого коэффициента увеличения.

Расчетные данные приведены в таблице.

На фиг.2 показаны траектории электронов, вылетевших с фотокатода, в случаях: а катода и анода, выполненных в виде плоских электродов; б катода и анода, выполненных в виде сферизованных поверхностей. Цифрами обозначены: 7 фотокатод, 8 анод, 9 траектории электронов, 10 люминесцентный экран.

В случае "а" фотоэлектроны движутся по параболам и образуют на экране элемент изображения диаметром 0,6 мм (при использовании МКП-коллиматора [2] ).

В случае "б" за счет кривизны электродов силовые линии электрического поля изгибаются и оказывают фокусирующее воздействие на электронный поток. За счет фокусировки изображения можно существенно уменьшить размер элемента изображения на экране и довести его до 0,03 мм, что при прочих равных с прототипом условиях (одинаковые чувствительности отклоняющих пластин) в ≈20 раз повышает техническое временное разрешение.

Физическое временное разрешение такого прибора при этом будет таким же, как в прототипе.

С учетом возможности создания в прикатодной области напряженности электрического поля 15 кВ/мм (опробовано экспериментально в импульсном режиме) ЭОП, выполненный согласно предлагаемому изобретению, может достичь временного разрешения 10^-13 с, что в ≈ 5 раз лучше современных достижений. При этом габариты ЭОП будут сравнимы с габаритами прототипа (длина ≈ 5-8 см вместо ≈ 35 см у аналога).

Яркость изображения в предлагаемом ЭОП будет больше, чем в прототипе, поскольку прибор не содержит коллиматора, обрезающего часть электронного потока.

Литература
1. Г. И. Брюхневич, В.А. Миллер, Б.Д.Смолкин и др. Новые время анализирующие электронно-оптические преобразователи. 14 Международный конгресс по высокоскоростной фотографии и фотонике. М. 1980, с.170.

2. В.А.Миллер, Б.Д.Смолкин, Б.М.Степанов. Контрастно-временная характеристика электронно-оптических преобразователей. ПТЭ, 1980, N2, с.158.

3. Albert J. Liber N. et al. Developement of sub-picosecond x-ray and visible streak camera Talk for CLEOS meeting, San-Diego, California, May 257, 1976.

Использование: изобретение относится к электронной технике, в частности к электронно-оптическим преобразователям, используемым для временного анализа быстропротекающих процессов, сопровождающихся оптическим излучением. Сущность изобретения: прибор содержит фотокатод, расположенный в непосредственной близости от него анод, систему развертки электронного луча, люминесцентный экран, отличающийся тем, что с целью улучшения временного разрешения и повышения яркости изображения фотокатод и анод представляют собой сферические поверхности, направленные выпуклостью от люминесцентного экрана, при этом анод прозрачен к электронному потоку, а основные геометрические размеры прибора могут быть найдены из следующих соотношений:


где R_k - радиус кривизны фотокатода, мм; R_a - радиус кривизны анода, мм; L_k-a - расстояние от фотокатода до анода, мм. 2 ил., 1 табл.

Электронно-оптический преобразователь, содержащий фотокатод, расположенный в непосредственной близости от него анод, систему развертки электронного луча, люминесцентный экран, отличающийся тем, что фотокатод и анод представляют собой сферические поверхности, направленные выпуклостью от люминесцентного экрана, при этом анод прозрачен к электронному потоку, а основные геометрические размеры прибора определены следующими соотношениями


где R_к радиус кривизны фотокатода, мм;
R_а радиус кривизны анода, мм;
L_к - а расстояние от фотокатода до анода, мм.