ЛАЗЕРНЫЙ ЭЛЕКТРОННО-ЛУЧЕВОЙ ПРИБОР С ЭЛЕКТРОСТАТИЧЕСКОЙ ФОКУСИРОВКОЙ ПУЧКА ЭЛЕКТРОНОВ Российский патент 2003 года по МПК H01J29/18 H01J29/46 H01J31/08 

Изобретение относится к электронным и квантовым приборам, а именно к лазерным электронно-лучевым приборам, используемым, например, в проекционных телевизионных устройствах для формирования изображений на экранах большой площади.

Проекционные телевизионные устройства на основе обычных электронно-лучевых приборов (ЭЛП) с люминесцентным экраном широко используются для формирования изображений на проекционных экранах площадью до нескольких квадратных метров. Однако размер изображения на проекционном экране таких телевизионных устройств ограничивается неспособностью люминесцентных экранов проекционных ЭЛП формировать требуемые световые потоки с высокой интенсивностью, что затрудняет получение телевизионных изображений с необходимой яркостью и контрастностью.

Эффективный путь улучшения параметров проекционных телевизионных устройств связан с использованием лазерных ЭЛП (см. , например, патент США N 3558956, H 01 J 29/18, 1971 г.).

В отличие от обычного ЭЛП источником излучения в лазерном ЭЛП является не слой люминофора, а лазерная мишень, представляющая собой тонкую полупроводниковую монокристаллическую пластину, на обе параллельные поверхности которой нанесены отражающие свет покрытия. Со стороны падения на пластину электронного пучка обычно наносится непрозрачное зеркальное металлическое покрытие, а с противоположной стороны - полупрозрачное зеркальное покрытие. Зеркальные поверхности образуют оптический резонатор, а полупроводниковая пластина между ними выполняет функции активной среды лазера с электронным возбуждением. Лазерная мишень прикрепляется к подложке из прозрачного диэлектрического материала, играющей роль выходного окна лазерного ЭЛП, а также теплоотвода для лазерной мишени. Подложка обычно изготовлена из сапфира, обладающего высокой теплопроводностью. Лазерная мишень вместе с подложкой образуют экран лазерного ЭЛП (лазерный экран).

Пучок электронов, проникая в полупроводниковую пластину через металлическое покрытие, индуцирует спонтанное световое излучение. При поверхностной плотности тока пучка на лазерной мишени, равной пороговому значению, мощность индуцированного светового излучения компенсирует потери в оптическом резонаторе и элемент мишени, на которую падает пучок электронов, становится источником лазерного излучения. В процессе многократного прохождения светом резонатора происходит сужение его частотного спектра, в результате чего излучаемый свет является монохроматическим. Лазерный свет излучается через полупрозрачное зеркальное покрытие практически перпендикулярно поверхности полупроводниковой пластины и выходит из ЭЛП через сапфировое выходное окно.

Известен лазерный электронно-лучевой прибор (Уласюк В.Н. Квантоскопы. - М. : Радио и связь, 1988, с.105), содержащий колбу, установленные в ней лазерный экран и электронный прожектор, предназначенный для формирования пучка электронов, и фокусирующую систему для фокусировки пучка электронов на лазерном экране, включающую первый и второй электроды, охватывающие пучок электронов и расположенные последовательно по ходу пучка электронов так, что обращенные друг к другу края электродов разделены некоторым зазором.

Указанный второй электрод в известном лазерном ЭЛП соединен с лазерным экраном и на него подается высокое ускоряющее напряжение, в то время как на указанный первый электрод подается более низкое регулируемое напряжение фокусировки. Благодаря разности потенциалов между первым и вторым электродами образуется электронная линза, которая собирает расходящийся пучок электронов, создаваемый электронным прожектором, в узкий сходящийся пучок, тем самым обеспечивая электростатическую фокусировку пучка электронов на лазерном экране.

В связи с пороговым характером излучения в лазерном ЭЛП точная (острая) фокусировка для него имеет гораздо большее значение, чем для обычных люминофорных ЭЛП, особенно если необходимо достичь высокой разрешающей способности, которую может обеспечить лазерный ЭЛП. В то же время, для лазерных ЭЛП характерно использование пучков электронов с гораздо более высокими энергиями, чем в люминофорных ЭЛП. Для острой фокусировки таких пучков необходимо увеличивать напряжение между первым и вторым электродами фокусирующей системы, что приводит к возникновению пробоев между ними. Если для предотвращения таких пробоев увеличить величину зазора между этими электродами, то в области зазора на внутренней поверхности колбы ЭЛП, не экранированной от пучка электронов электродами фокусирующей системы, будут накапливаться заряды, наведенные проходящим пучком электронов. Наведенные заряды распределяются на поверхности колбы неравномерно и поэтому при воздействии на пучок электронов нарушают его осевую симметрию, что приводит к невозможности острой фокусировки этого пучка. В известных лазерных ЭЛП максимальный используемый зазор составляет 0,5-1,5 мм, что не позволяет увеличить напряжение между электродами более чем до 25-35 кВ, что в ряде случаев является недостаточным для обеспечения требуемой фокусировки.

Задачей настоящего изобретения является создание лазерного ЭЛП с электростатической фокусировкой пучка электронов, который позволяет увеличить напряжение между электродами фокусирующей системы без возникновения пробоя между ними и без накопления на колбе ЭЛП наведенных зарядов, влияющих на фокусировку пучка электронов, и тем самым обеспечить более острую фокусировку пучка.

Поставленная задача решается тем, что лазерный ЭЛП, содержащий колбу, установленные в ней лазерный экран и электронный прожектор, предназначенный для формирования пучка электронов, и фокусирующую систему для фокусировки пучка электронов на лазерном экране, включающую первый и второй электроды, охватывающие пучок электронов и расположенные последовательно по ходу пучка электронов так, что обращенные друг к другу края электродов разделены некоторым зазором, согласно изобретению дополнительно содержит вспомогательный электрод, охватывающий первый и второй электроды по меньшей мере в области указанного зазора и, по существу, электрически изолированный от этих электродов.

Вспомогательный электрод экранирует колбу ЭЛП от влияния пучка электронов и тем самым предотвращает накопление наведенных зарядов на внутренней поверхности колбы ЭЛП. Наведенные заряды распределяются по внутренней поверхности вспомогательного электрода осесимметрично и поэтому не нарушают осевую симметрию пучка электронов, что обеспечивает острую фокусировку этого пучка даже при относительно большой величине зазора между электродами. Увеличение же зазора позволяет повысить напряжение между электродами без возникновения пробоя и тем самым обеспечить острую фокусировку пучка электронов с высокой энергией. Введение вспомогательного электрода согласно изобретению позволяет увеличить зазор по меньшей мере до 2-5 мм, в то время как в известных лазерных ЭЛП он не превышает 0,5-1,5 мм. Благодаря этому напряжение между электродами фокусирующей системы, которое в известных устройствах не превышает 25-35 кВ, может быть увеличено до 40-65 кВ и более.

Вспомогательный электрод можно использовать для механического соединения электродов фокусирующей системы, что упрощает конструкцию ЭЛП.

Лазерный электронно-лучевой прибор согласно изобретению предпочтительно содержит диэлектрические удерживающие средства, которые установлены на расстоянии от зазора и к которым прикреплены первый электрод фокусирующей системы и вспомогательный электрод, а также вторые диэлектрические удерживающие средства, которые установлены на расстоянии от зазора и к которым прикреплены вспомогательный электрод и второй электрод фокусирующей системы.

Указанный первый электрод фокусирующей системы предпочтительно предназначен для подачи на него регулируемого напряжения фокусировки, а указанный второй электрод является высоковольтным ускоряющим электродом и предпочтительно соединен с лазерной мишенью лазерного экрана.

В диэлектрических удерживающих средствах, к которым прикреплен первый электрод фокусирующей системы, может быть закреплен по меньшей мере еще один электрод электронного прожектора.

Диаметры электродов фокусирующей системы в районе указанного зазора предпочтительно превышают их диаметры в районе нахождения диэлектрических удерживающих средств. Увеличение диаметра указанных электродов обеспечивает увеличение диаметра фокусирующей линзы, что позволяет уменьшить действие сферической аберрации в линзе и увеличить плотность тока сфокусированного пучка электронов и, таким образом, мощность лазерного излучения ЭЛП.

На чертеже схематически показан лазерный ЭЛП, выполненный согласно изобретению.

В соответствии с чертежом лазерный ЭЛП содержит колбу 1, выполненную, например, из стекла, из которой откачан воздух. В колбе установлен лазерный экран 2 и электронный прожектор 3, предназначенный для формирования пучка электронов. В приведенном примере выполнения электронный прожектор 3 включает катод 4, модулятор 5, ускоряющий электрод 6 и анод 7, однако может содержать и другие известные элементы электронных прожекторов. Электроды 4-7 соединены с внешними выводами (не показаны) лазерного ЭЛП, предназначенными для соединения с внешними цепями. Лазерный ЭЛП содержит также фокусирующую систему для фокусировки пучка электронов на лазерном экране 2, включающую первый и второй цилиндрические электроды 8 и 9 соответственно, охватывающие пучок 10 электронов и расположенные последовательно по ходу пучка 10 электронов так, что обращенные друг к другу края электродов разделены зазором 11. Кроме того, лазерный ЭЛП содержит вспомогательный цилиндрический электрод 12, охватывающий электроды 8 и 9 в области зазора 11 и электрически изолированный от этих электродов. Расстояние в радиальном направлении между вспомогательным электродом 12 и электродом 8, а также между вспомогательным электродом 12 и электродом 9 в районе зазора 10 составляет примерно от 0,5 до 2 мм в зависимости от напряжений, которые должны быть приложены к электродам 8 и 9. Электроды 8, 9, 12 и другие могут быть выполнены, например, из нержавеющей стали или никеля.

Вспомогательный электрод 12 механически соединяет электроды 8 и 9. В показанном на чертеже примере выполнения это соединение осуществляется с помощью первых диэлектрических удерживающих средств, выполненных в виде штабиков 13 и 14, и вторых диэлектрических удерживающих средств, выполненных в виде штабиков 15 и 16. Первый и вспомогательный электроды 8 и 12 прикреплены к штабикам 13 и 14, установленным на расстоянии от зазора и выполненным, например, из стекла. Штабики 13 и 14 имеют форму, близкую к параллелепипеду, и аналогичны известным штабикам, широко используемым для механического соединения электродов различных электровакуумных приборов. Соединение электродов 8 и 12 со штабиками 13 и 14 осуществляется, например, путем впаивания отогнутых краев электродов в штабики, как показано на чертеже. Другой конец вспомогательного электрода 12 и второй электрод 9 аналогичным образом прикреплены к аналогичной паре штабиков 15 и 16. Количество штабиков, составляющих первые и вторые диэлектрические удерживающие средства, может отличаться от двух. Если для соединения соответствующих электродов используется несколько штабиков, то их устанавливают предпочтительно через равные интервалы по окружности электродов.

Такое соединение электродов 8 и 9 фокусирующей системы с помощью вспомогательного электрода 12 позволяет сформировать механически прочную и простую в изготовлении конструкцию.

Электрод 9 является высоковольтным ускоряющим электродом и соединен с лазерной мишенью (не показана) лазерного экрана 2 через проводящее покрытие 17, а электрод 8 предназначен для подачи на него регулируемого напряжения фокусировки. Электроды 8 и 9 соединены с соответствующими внешними выводами ЭЛП для подачи на эти электроды требуемых напряжений. Вспомогательный электрод 12 может не иметь внешнего вывода или может также быть соединен с отдельным внешним выводом.

В первых диэлектрических удерживающих средствах, т.е. штабиках 13, 14, может быть закреплен по меньшей мере еще один электрод электронного прожектора, например анод 7, как показано на чертеже.

Диаметры электродов 8 и 9 в районе зазора 11 превышают их диаметры в районе нахождения штабиков 13-16, как показано на чертеже. Например, диаметр электродов 8 и 9 в районе зазора 11 может составлять порядка 25 мм и превышать их диаметры в районе нахождения штабиков 12-15 на 5-10 мм.

Лазерный ЭЛП работает следующим образом.

Катод 4 электронного прожектора подогревают с помощью внешнего источника тока (не показан), что вызывает эмиссию электронов, образующих пучок 10. Через высоковольтный ввод (не показан) на высоковольтный ускоряющий электрод 9 от внешнего источника (не показан) подают ускоряющее напряжение, положительное относительно катода 4 и имеющее величину, например, порядка 40-65 кВ. Ускоряющее напряжение через проводящее покрытие 17 прикладывается также к мишени лазерного экрана 2. Пучок 10 электронов, сформированный прожектором 3, под действием высокого ускоряющего напряжения, приложенного к электроду 9, а также к мишени лазерного экрана 2, движется по направлению к лазерному экрану 2.

Напряжение на электроде 8, обычно не превышающее нескольких киловольт, регулируют так, чтобы обеспечить электростатическую фокусировку пучка 10 на мишени лазерного экрана 2. При электростатической фокусировке электрическое поле, создаваемое электродами 8 и 9, образует электронную линзу (показана штриховыми линиями), которая собирает расходящийся пучок электронов, создаваемый прожектором 3, в узкий сходящийся пучок.

При подаче напряжений на электроды 8 и 9 фокусирующей системы на вспомогательном электроде 12 за счет наличия токов утечки в течение небольшого промежутка времени устанавливается некоторый потенциал, промежуточный между напряжениями на электродах 8 и 9. В некоторых случаях может оказаться целесообразным подавать на вспомогательный электрод 12 заданный потенциал от дополнительного внешнего источника.

Вспомогательный электрод 12 экранирует колбу 1 ЭЛП от влияния пучка электронов и тем самым предотвращает накопление наведенных зарядов на внутренней поверхности колбы 1 ЭЛП. Наведенные пучком электронов заряды распределяются по внутренней поверхности вспомогательного электрода 12, охватывающей область зазора 10, осесимметрично, что обеспечивает практически идеальную осевую симметрию электрического поля фокусирующей системы и, следовательно, осевую симметрию сфокусированного ею пучка 10 электронов даже при увеличенной до 2-5 мм величине зазора 11. В то же время, увеличение зазора 11 позволяет предотвратить возникновение пробоев между электродами 8 и 9 при высокой разности потенциалов между ними. Введение вспомогательного электрода 12 согласно изобретению позволяет увеличить указанный зазор по меньшей мере до 2-5 мм, в то время как в известных лазерных ЭЛП он не превышает 0,5-1,5 ми. Благодаря этому напряжение между электродами фокусирующей системы, которое в известных устройствах не превышает 25-35 кВ, может быть увеличено до 40-65 кВ и более. Высокое напряжение между электродами 8, 9 фокусирующей системы позволяет точно фокусировать пучок электронов с высокими энергиями, что обеспечивает повышение мощности лазерного излучения ЭЛП при высокой разрешающей способности.

Кроме того, увеличение диаметра электродов 8 и 9 фокусирующей системы в области зазора 11 обеспечивает соответствующее увеличение диаметра фокусирующей линзы. Известно, что увеличение диаметра линзы способствует уменьшению рассеивающего действия сферической аберрации в линзе, которое определяется соотношением диаметра пучка и диаметра линзы. Уменьшение действия сферической аберрации позволяет увеличить диаметр пучка электронов, входящего в линзу со стороны электронного прожектора 3, и тем самым повысить плотность тока сфокусированного пучка на мишени лазерного экрана 2. Благодаря этому мощность лазерного излучения предложенного ЭЛП по сравнению с известными устройствами еще более возрастает.

Таким образом, настоящее изобретение обеспечивает создание лазерного ЭЛП с электростатической фокусировкой пучка электронов, который позволяет увеличить напряжение между электродами фокусирующей системы без возникновения пробоя между ними и без накопления наведенных зарядов на колбе ЭЛП и тем самым обеспечить более острую фокусировку пучка электронов.

Рассмотренная выше конструкция лазерного ЭЛП приведена только в качестве примера. В лазерном ЭЛП согласно изобретению могут быть использованы любые известные элементы для формирования электронных пучков, а также любые известные конструкции колб ЭЛП, электродов и диэлектрических удерживающих средств, применяемые в электронно-лучевых приборах и других подобных устройствах.

Изобретение относится к электронной технике, в частности к проекционным телевизионным установкам. Техническим результатом является повышение напряжения между ними без накопления на колбе прибора наведенных зарядов, что позволяет обеспечить более острую фокусировку пучка. Лазерный электронно-лучевой прибор содержит колбу, установленные в ней лазерный экран и электронный прожектор, предназначенный для формирования пучка электронов, и фокусирующую систему для фокусировки пучка электронов на лазерном экране, включающую первый и второй электроды, охватывающие пучок электронов и расположенные последовательно по ходу пучка электронов так, что обращенные друг к другу края электродов разделены некоторым зазором. Прибор также содержит вспомогательный электрод, охватывающий первый и второй электроды по меньшей мере в области указанного зазора и, по существу, электрически изолированный от этих электродов. 7 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Лазерный электронно-лучевой прибор, содержащий колбу, установленные в ней лазерный экран и электронный прожектор, предназначенный для формирования пучка электронов, и фокусирующую систему для фокусировки пучка электронов на лазерном экране, включающую первый и второй электроды, охватывающие пучок электронов и расположенные последовательно по ходу пучка электронов так, что обращенные друг к другу края электродов разделены некоторым зазором, отличающийся тем, что он дополнительно содержит вспомогательный электрод, охватывающий первый и второй электроды по меньшей мере в области указанного зазора и, по существу, электрически изолированный от этих электродов. 2. Лазерный электронно-лучевой прибор по п. 1, отличающийся тем, что вспомогательный электрод механически соединяет первый и второй электроды. 3. Лазерный электронно-лучевой прибор по п. 1 или 2, отличающийся тем, что он дополнительно содержит первые диэлектрические удерживающие средства, которые установлены на расстоянии от зазора и к которым прикреплены вспомогательный и первый электроды. 4. Лазерный электронно-лучевой прибор по одному из пп. 1-3, отличающийся тем, что он дополнительно содержит вторые диэлектрические удерживающие средства, которые установлены на расстоянии от зазора и к которым прикреплены вспомогательный и второй электроды. 5. Лазерный электронно-лучевой прибор по одному из пп. 1-4, отличающийся тем, что первый электрод предназначен для подачи на него регулируемого напряжения фокусировки, а второй электрод является высоковольтным ускоряющим электродом. 6. Лазерный электронно-лучевой прибор по одному из пп. 1-5, отличающийся тем, что второй электрод соединен с лазерной мишенью лазерного экрана. 7. Лазерный электронно-лучевой прибор по одному из пп. 3-9, отличающийся тем, что по меньшей мере еще один электрод электронного прожектора закреплен в первых диэлектрических удерживающих средствах. 8. Лазерный электронно-лучевой прибор по одному из пп. 3-7, отличающийся тем, что диаметры первого и второго электродов в районе указанного зазора превышают их диаметры в районе нахождения первых и вторых диэлектрических удерживающих средств.