ВРЕМЯАНАЛИЗИРУЮЩИЙ ЭЛЕКТРОННО-ОПТИЧЕСКИЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ИЗОБРАЖЕНИЯ Российский патент 2004 года по МПК H01J31/50 

Изобретение относится к области электровакуумного приборостроения, связанного с разработкой и созданием электронно-оптических преобразователей изображения (ЭОП), предназначенных для преобразования и усиления яркости изображений в различных областях спектра от инфракрасного до мягкого рентгеновского. Изобретение может быть использовано при создании современных пико- и субпикосекундных ЭОП, работающих в режиме сверхскоростной фотохронографии, и, в первую очередь, специализированных ЭОП, работающих в качестве первичного детектора в составе пико- и субпикосекундных электронно-оптических камер (ЭОК), применяемых для фотографирования различных быстропротекающих процессов в инфракрасном, видимом, ультрафиолетовом или мягком рентгеновском диапазонах спектра излучения. Развитие техники высокоскоростной фотохронографии наряду с задачей повышения временного разрешения ставит задачу поиска путей повышения информационной емкости изображения, что при сохранении высокого временного и пространственного разрешения означает необходимость увеличения рабочего поля фотокатода, т.е. ставится задача создания широкоформатного ЭОП. Решение этой задачи предлагается и обосновывается в предлагаемом изобретении.

Известен времяаналнзирующий ЭОП с магнитной фокусировкой изображения, предназначенный для работы в режиме сверхскоростной фотохронографии [1]. В качестве фотокатода ЭОП использован призматический выступ, вершина которого служит источником фотоэмиссии, отклоняющая система развертки расположена между фотокатодом и фокусирующей линзой, выполненной в виде бронированного соленоида. Часть магнитопровода соленоида, выполненная в виде мелкоструктурной и прозрачной для электронов сетки, осуществляет магнитную экранировку отклоняющей системы от магнитного поля фокусирующей системы. Регистрирующая мишень (экран) выполнена плоской. Перечисленные конструктивные особенности этого ЭОП порождают его недостатки. Так, эмиссия с призматического выступа вдоль временной оси имеет большую апертуру, чем с аналогичной плоской площадки, что приводит к увеличению пространственных аберраций вдоль временной оси и соответственно к снижению временного разрешения. Размер рабочего поля фотокатода вдоль пространственной оси ограничен пространственными аберрациями. Магнитная экранировка с помощью магнитной мелкоструктурной сетки может оказаться неэффективной из-за насыщения магнитного материала сетки, которая по необходимости должна быть достаточно тонкой. Расположение отклоняющей системы в пространстве между фотокатодом и магнитной фокусирующей системой снижает чувствительность отклоняющей системы за счет действия фокусирующей линзы. Экран в рассматриваемой конструкции является плоским, что создает дополнительные пространственно-временные аберрации. С учетом перечисленных недостатков рассматриваемая конструкция ЭОП заставляет отнести его к классу узкоформатных.

Наиболее близким техническим решением к заявленному является времяанализирующий ЭОП с магнитной фокусировкой [2], схема которого приведена на фиг.1, где 1 - вакуумная оболочка, 2 - входное окно, 3 - фотокатод, чувствительный к излучению наблюдаемого процесса, 4 - ускоряющий электрод, выполненный в виде проводящей мелкоструктурной сетки, 5 - соленоид, 6 - магнитопровод, 7 - немагнитный зазор в магнитопроводе, 8 - отклоняющая система, 9 - регистрирующая мишень.

Как видно из фиг. 1, в прототипе используется фотокатод, расположенный на плоской подложке, плоский ускоряющий электрод, выполненный в виде мелкоструктурной сетки, и люминесцентный экран, расположенный на плоской подложке. В этом ЭОП устранены некоторые недостатки, присущие описанному выше аналогу. Так, вместо призматического выступа катод выполнен в виде узкой полоски на плоской проводящей подложке, что позволяет несколько снизить пространственно-временные аберрации в направлении временной оси. Отклоняющая система расположена в промежутке между фокусирующей линзой и экраном, что позволяет устранить негативное влияние магнитного поля этой линзы на чувствительность отклоняющей системы.

Недостатком прототипа является использование плоского фотокатода, плоского ускоряющего электрода и плоского экрана, что порождает значительные пространственно-временные аберрации, включая кривизну и дисторсию. Большая кривизна изображения приводит к существенному уменьшению пространственного и временного разрешения на краю рабочего поля. Поэтому для сохранения в прототипе высокого пространственного и временного разрешения по всему рабочему полю фотокатода размер рабочего поля фотокатода в рассматриваемом ЭОП вдоль пространственной оси ограничен величиной 0,23 мм, а это означает, что рассматриваемый прототип, как и предыдущий, следует отнести к классу узкоформатных.

Техническим результатом, обеспечиваемым заявляемым изобретением, является увеличение рабочего поля фотокатода времяанализирующего ЭОП за счет снижения пространственных и временных аберраций, что способствует созданию широкоформатного ЭОП. Технический результат достигается тем, что во времяанализирующем электронно-оптическом преобразователе изображения, содержащем заключенные в вакуумную оболочку и последовательно расположенные в ней плоскую подложку с фотокатодом, ускоряющий электрод, отклоняющую систему и мишень, а также фокусирующую систему в виде осесимметричной бронированной магнитной линзы с немагнитным зазором, расположенную снаружи вакуумной оболочки между ускоряющим электродом и отклоняющей системой, причем ось симметрии магнитной линзы совпадает с осью преобразователя, ускоряющий электрод и мишень выполнены в виде сферических сегментов, причем вершины и центры кривизны ускоряющего электрода и мишени расположены на оси преобразователя таким образом, что соотношение расстояния между центром кривизны ускоряющего электрода и плоскостью немагнитного зазора магнитной линзы к расстоянию между вершиной ускоряющего электрода и плоскостью немагнитного зазора магнитной линзы составляет 2:3, соотношение расстояния между центром кривизны мишени и плоскостью немагнитного зазора магнитной линзы к расстоянию между вершиной мишени и плоскостью немагнитного зазора магнитной линзы составляет 1:2, а в плоскости немагнитного зазора магнитной линзы установлена апертурная диафрагма.

Приданием ускоряющему электроду и мишени сферической формы и выбором места расположения их центров кривизны, а также установкой апертурной диафрагмы в плоскости немагнитного зазора удается существенно скорректировать основные аберрации магнитной линзы. Это позволяет более чем на порядок увеличить рабочее поле вдоль пространственной оси ЭОП с сохранением высоких характеристик изображения по всему рабочему полю фотокатода, т.е. в отличие от прототипа, являющегося по сути дела малоформатным ЭОП, удается создать широкоформатный ЭОП.

На фиг. 2 изображена схема предлагаемого времяанализирующего ЭОП.

ЭОП содержит вакуумную оболочку 1, входное окно с нанесенной на него с внутренней стороны проводящей подложкой 2, чувствительный к излучению наблюдаемого процесса фотокатод 3, ускоряющий электрод 4 в виде сферического сегмента, выполненный либо в виде проводящей мелкоструктурной сетки, либо в виде сплошного проводящего электрода, в котором имеется прямоугольное отверстие для пропускания электронного потока в область магнитной линзы, бронированный соленоид 5, магнитопровод 6, немагнитный зазор 7, апертурную диафрагму 8 с круглым отверстием в центре, отклоняющую систему 9, регистрирующую мишень 10.

Ускоряющий электрод 4 выполнен в виде сферического сегмента, центр кривизны которого расположен на оси ЭОП между его вершиной и плоскостью немагнитного зазора 7 магнитной линзы, образованной соленоидом 5 и магнитопроводом 6 и расположенной снаружи вакуумной оболочки 1 между ускоряющим электродом 4 и отклоняющей системой 9. Соотношение расстояния между центром кривизны ускоряющего электрода и плоскостью немагнитного зазора магнитной линзы к расстоянию между вершиной ускоряющего электрода и плоскостью немагнитного зазора магнитной линзы составляет 2:3. В плоскости немагнитного зазора располагается также круглая апертурная диафрагма 8 с отверстием в центре, центр которой расположен на оси ЭОП. Между магнитной линзой и мишенью 10 располагается отклоняющая система 9. Плоскость симметрии отклоняющей системы 9 развернута на угол, равный углу поворота изображения, эта плоскость содержит ось ЭОП и повернутое магнитной линзой изображение пространственной оси ЭОП. За отклоняющей системой развертки изображения 9 установлена регистрирующая электронное изображение мишень 10, например, в виде люминесцентного экрана, расположенного на волоконно-оптической пластине, выполненной в виде сферического сегмента, причем центр кривизны волоконно-оптической пластины расположен на оси ЭОП в промежутке между плоскостью немагнитного зазора магнитной линзы и вершиной мишени.

Предлагаемый ЭОП с магнитной фокусировкой работает следующим образом. Порождаемое наблюдаемым объектом изменяющееся во времени электромагнитное излучение проникает через прозрачное для этого излучения окно и попадает на фотокатод, чувствительный к излучаемой объектом области спектра. Под влиянием этого излучения из каждой точки фотокатода эмитируются фотоэлектроны, распределение плотности эмиссии которых по фотокатоду пропорционально пространственному распределению плотности электромагнитной энергии, поступающей от рассматриваемого объекта, и представляет собой по сути практически синхронно изменяющееся во времени электронное изображение этого объекта. Далее фотоэлектроны ускоряются в промежутке между фотокатодом и ускоряющим электродом, к которому так же, как в прототипе, приложено полное ускоряющее напряжение. После ускорения электронный поток попадает в магнитное поле линзы, в результате ее действия пучки фокусируются, а электронное изображение разворачивается на некоторый угол, в связи с чем пространственная и временная оси в изображении фотокатода оказываются повернутыми на тот же угол. В результате вдоль пространственной оси изображения формируется одномерное пространственное изображение наблюдаемого объекта, а вдоль временной изображается динамика его изменения во времени. Как показывают расчеты, благодаря специальному расположению ускоряющего электрода, при котором соотношение расстояния между его центром кривизны и плоскостью немагнитного зазора магнитной линзы к расстоянию между вершиной ускоряющего электрода и плоскостью немагнитного зазора магнитной линзы составляет 2:3, электроны после ускорения двигаются в направлении осевой точки плоскости немагнитного зазора и в отличие от прототипа поступают в область действия магнитной фокусирующей линзы на минимальном расстоянии от оси. Поэтому все аберрации положения, влияющие на пространственное и временное разрешение, а также на масштабные пространственно-временные искажения изображения в предлагаемом ЭОП оказываются существенно меньшими, чем в прототипе, где электронные пучки после ускорения двигаются параллельно оптической оси магнитной линзы и поступают в пространство ее действия на большом расстоянии от оси. Именно этим объясняется то, что временное и пространственное разрешение в прототипе по рабочему полю фотокатода вдоль пространственной оси быстро убывает от центра к краю и что не позволяет создать широкоформатный ЭОП с высокими электронно-оптическими характеристиками изображения. В заявленном ЭОП фокусирующее действие магнитной линзы как для приосевых, так и внеосевых пучков электронов отличается незначительно. Поскольку центральные траектории электронов в нем собираются в точке на оси в плоскости немагнитного зазора, установленная в этой плоскости апертурная диафрагма не будет виньетировать изображение, т.е. ограничивать величину рабочего поля фотокатода, но может существенно и в равной степени уменьшить выходную апертуру как центральных, так и периферийных пучков. В результате достигается уменьшение влияния на качество изображения отверстных аберраций, что приводит к дополнительному увеличению пространственного и временного разрешения по всему рабочему полю фотокатода. В прототипе приосевые и внеосевые пучки собираются в разных точках оси, что делает нецелесообразным применение апертурной диафрагмы. В случае применения диафрагмы в прототипе она будет виньетировать изображение и неодинаково диафрагмировать пучки. После прохождения диафрагмы электронные пучки в предлагаемом ЭОП направляются на экран. Как показывают расчеты, острая фокусировка изображения вдоль пространственной оси достигается на сферической поверхности мишени с центром кривизны, расположенным на оси ЭОП таким образом, чтобы соотношение расстояния между центром кривизны мишени и плоскостью немагнитного зазора магнитной линзы к расстоянию между вершиной мишени и плоскостью немагнитного зазора составляло бы 1:2. При этом кривизна экрана заметно исправляет временные аберрации, влияющие на временное разрешение и временную задержку на краю рабочего поля фотокатода.

Для сравнения заявленного ЭОП с прототипом было проведено компьютерное моделирование их электронно-оптических систем с использованием пакета прикладных программ Elim-E [3]. Обозначения коэффициентов аберраций соответствуют принятым в работе [4]. Основные исходные данные конструкции прототипа взяты из работы [2].

Вариант заявленной в изобретении конструкции ЭОП и вариант прототипа были практически идентичными за исключением радиусов кривизны мелкоструктурной сетки и экрана. Были взяты следующие параметры. Ускоряющее напряжение на мелкоструктурной сетке полагалось равным 10 кВ, расстояние между фотокатодом и мелкоструктурной сеткой по оси ЭОП 1,6 мм, ширина прямоугольника, ограничивающего фотокатод, 0,01 мм, длина прямоугольника (рабочее поле фотокатода) 5 мм, общая длина ЭОП 268 мм, расстояние от фотокатода до средней плоскости немагнитного зазора магнитной линзы 66 мм, скорость развертки 1,6х10¹¹ мм/с. Параметры фотокатода соответствовали видимому диапазону излучения исследуемого объекта и так же, как в работе [2], угловое распределение фотоэлектронов считалось ламбертовским, а энергетическое - параболическим с максимальной энергией 0,68 эВ. Конструкция и токи возбуждения магнитной линзы были взяты одинаковыми. Для прототипа фотокатод, мелкоструктурная сетка и экран были взяты плоскими. В заявленном ЭОП радиусы кривизны мелкоструктурной сетки и экрана в описанных выше сечениях предполагались равными 22 и 108 мм соответственно. Расчеты характеристик изображения проводились в пределах рабочего поля фотокатода вдоль пространственной оси, равном 10 мм.

В таблице 1 приведены исходные значения основных величин, определяющих качество изображения в ЭОП, в таблице 2 - расчетные значения основных аберраций магнитной линзы и в таблице 3 - основные характеристики качества изображения для заявленного ЭОП и прототипа.

Из результатов компьютерного моделирования электронно-оптической системы заявленного ЭОП нетрудно видеть, что с помощью этого ЭОП при напряжении на ускоряющем электроде относительно фотокатода, равном 10 кВ, ширине щели 10 мкм, при скорости развертки 1,6×10¹¹ мм/c и пространственном увеличении, равном 2,9, по всему рабочему полю фотокатода размером 10 мм в видимом диапазоне с сурьмяно-цезиевым фотокатодом достигается пространственное разрешение не менее 70 штр/мм, временное разрешение 0,5 пс, дисторсия менее 0,2%, задержка на краю рабочего поля фотокатода практически отсутствует. Аналогичные оценки в области мягкого рентгена с золотым фотокатодом показывают, что в заявленном ЭОП по всему рабочему полю фотокатода достигается пространственное разрешение не менее 20 штр/мм, временное разрешение 3 пс, дисторсия менее 0,2%, задержка менее 0,5 пс. Для сравнения в прототипе ЭОП с плоской подложкой, плоским ускоряющим электродом, плоской мишенью и без апертурной диафрагмы в центре рабочего поля мишени пространственное и временное разрешение остается таким же, как в заявленной конструкции, однако на краю рабочего поля наблюдается резкое ухудшение качества пространственно-временного изображения. Как показывают расчеты, для достижения в прототипе сопоставимых с заявленным ЭОП характеристик качества изображения, особенно в части временного разрешения и временной задержки изображения, рабочее поле фотокатода в прототипе должно быть не более 1 мм, т.е. в 10 раз меньше, чем в заявленном. Поэтому прототип ЭОП следует отнести к узкоформатным. Таким образом, в заявленном ЭОП при сохранении высоких пространственно-временных характеристик, присущих прототипу, рабочее поле фотокатода увеличено по сравнению с прототипом в 10 раз за счет снижения пространственных и временных аберраций, что позволяет отнести его к классу широкоформатных.

Литература

1. Авторское свидетельство SU №1272376 А1, кл. Н 01 J 31/50, 1985.

2. Kinoshita K. et al. Femtosecond streak tube. Proceeding of 16^th International congress on High Spead photography and photonics, vol 491. Strasburg, 1984 (прототип).

3. V.P.Il′in, V.A.Kateshov, Yu. V.KnUkov, M.A.Monastyrsky. Emission-Imaging Electron-Optical System Design. - Adv.electronics and electron physics (1990), v.78, Acad.Press.

4. Ю.В. Куликов. Об опыте создания программно-методического обеспечения для расчета эмиссионных электронно-оптических изображающих систем. - Прикладная физика (1996), 3, Москва.

Изобретение относится к области электровакуумного приборостроения и может быть использовано при создании пико- и субпикосекундных электронно-оптических преобразователей (ЭОП), работающих в режиме сверхскоростной фотографии. Техническим результатом, обеспечиваемым заявляемым изобретением, является увеличение рабочего поля фотокатода за счет снижения пространственных и временных аберраций, т.е. создание широкоформатного ЭОП. Времяанализирующий ЭОП содержит заключенные в вакуумную оболочку и последовательно расположенные в ней плоскую подложку с фотокатодом, ускоряющий электрод, апертурную диафрагму с круглым отверстием в центре, отклоняющую систему и регистрирующую мишень. Снаружи вакуумной оболочки между ускоряющим электродом и отклоняющей системой расположена фокусирующая система в виде осесимметричной бронированной магнитной линзы с немагнитным зазором. Ускоряющий электрод и мишень выполнены в виде сферических сегментов, вершины и центры которых расположены на оси преобразователя таким образом, что отношение расстояния между центром кривизны ускоряющего электрода и средней плоскостью немагнитного зазора магнитной линзы к расстоянию между вершиной ускоряющего электрода и средней плоскостью немагнитного зазора магнитной линзы составляет 2:3, отношение расстояния между центром кривизны мишени и плоскостью немагнитного зазора магнитной линзы к расстоянию между вершиной мишени и плоскостью немагнитного зазора магнитной линзы составляет 1:2, а в плоскости немагнитного зазора установлена апертурная диафрагма. 2 ил., 3 табл.

Времяанализирующий электронно-оптический преобразователь изображения, содержащий заключенные в вакуумную оболочку и последовательно расположенные в ней плоскую подложку с фотокатодом, ускоряющий электрод, отклоняющую систему и мишень, а также фокусирующую систему в виде осесимметричной бронированной магнитной линзы с немагнитным зазором, расположенную снаружи вакуумной оболочки между ускоряющим электродом и отклоняющей системой, отличающийся тем, что ускоряющий электрод и мишень выполнены в виде сферических сегментов, вершины и центры которых расположены на оси преобразователя таким образом, что отношение расстояния между центром кривизны ускоряющего электрода и средней плоскостью немагнитного зазора магнитной линзы к расстоянию между вершиной ускоряющего электрода и средней плоскостью немагнитного зазора магнитной линзы составляет 2:3, отношение расстояния между центром кривизны мишени и средней плоскостью немагнитного зазора магнитной линзы к расстоянию между вершиной мишени и средней плоскостью немагнитного зазора магнитной линзы составляет 1:2, а в средней плоскости немагнитного зазора магнитной линзы установлена апертурная диафрагма.