ОТКЛОНЯЮЩЕ-ЗАМЕДЛЯЮЩАЯ СИСТЕМА ДЛЯ ВРЕМЯАНАЛИЗИРУЮЩИХ ЭЛЕКТРОННО-ОПТИЧЕСКИХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ Российский патент 2004 года по МПК H01J31/50 H01J31/60 

Предлагаемое изобретение относится к области электронной техники и может быть использовано при построении хронографических электронно-оптических преобразователей (ЭОП), предназначенных для исследования оптических процессов пико- и фемтосекундного диапазона.

Техническое временное разрешение Т-хронографических ЭОП определяется как

τ=T_p/N,

где Т_р - длительность развертки электронного пучка (несущего информацию об интенсивности регистрируемого сигнала во времени) на рабочей части экрана,

N - число уверенно различаемых на экране ЭОП элементов (пар линий).

Например, чтобы достичь временного разрешения τ=1 пс при N=100, требуется Т_р<100 пс. Развертка осуществляется треугольным импульсом с фронтом 100 пс, активная ширина спектра которого F_a=0,4/Т_р (нc)=4 ГГц. Это, в свою очередь, означает, что верхняя граничная частота F_rp отклоняющей системы (ОС) должна быть F_гр>F_a>4 ГГ_ц.

При таких значениях полосы пропускания ОС строятся исключительно по принципу отклоняюще-замедляющих систем бегущей волны (ОЗС БВ), например, как это описано в [1, стр. 27], в которых фазовая скорость волны отклоняющего сигнала синхронизирована со скоростью движения отклоняемого электронного луча. Отклоняющие системы фирмы Hamamatsu [2] используют плоскую ОЗС БВ “меандрового” типа, имеющую полосу пропускания (3-4) ГГц, что обеспечивает предельное техническое временное разрешение в центре экрана Т_р 200 фс.

Известна также ОС меандрового типа, используемая в хронографическом ЭОП, описанном в [3].

Основные недостатки отклоняюще-замедляющей системы меандрового типа описаны в [1, стр. 24] и перечислены ниже:

- Сильная дисперсия фазовой скорости и волнового сопротивления. Компенсация этих явлений может быть достигнута изменением конструкции, приводящей, как правило, к снижению статической чувствительности системы к отклонению электронного пучка. Это, в свою очередь, потребует повышения амплитуды развертывающего импульса с пикосекундным фронтом, что крайне нежелательно.

- В меандровых системах происходит расфокусировка электронного пучка в плоскости отклонения. Особенно это проявляется при использовании в пикосекундном ЭОП электронного пучка ленточной формы.

- В меандровых системах в качестве подложки используется керамика с относительно высокой диэлектрической проницаемостью ε>9,6. Так как керамика находится в зоне пролетного канала электронного пучка, возможна вторичная эмиссия с ее поверхности и возникновение наведенного заряда, что приводит к расфокусировке пучка.

Кроме того, известны [4, 5, 6 и 1] простые отклоняющие системы проходного типа, содержащие одну или две отклоняющие пластины, расположенные в экране типа "короб", вдоль которых проходит пучок электронов. Эти системы согласованы в электрическом тракте, но в них отсутствует согласование скорости распространения электромагнитной волны со скоростью движения электронного пучка, а именно в проходной системе скорость распространения волны в 3-6 раз выше скорости движения электронного пучка. Из-за этого (так называемый пролетный эффект) полоса пропускания этих систем по отклонению электронного пучка не превышает нескольких сот мегагерц при приемлемой чувствительности отклоняющей системы. Чтобы не допустить снижения полосы пропускания, уменьшают длину ОС, что в свою очередь снижает коэффициент чувствительности.

Наиболее близким техническим решением является отклоняюще-замедляющая система (ОЗС) для времяанализирующих электронно-оптических преобразователей, содержащая пару прямых отклоняющих пластин проходного типа, расположенных между экранными проводниками симметричной полосковой линии, представленная в [4].

Техническим результатом предлагаемого изобретения является расширение полосы пропускания отклоняюще-замедляющей системы для хронографических электронно-оптических преобразователей при обеспечении приемлемой чувствительности ОЗС, снижение возможности расфокусировки электронного луча.

Технический результат в отклоняюще-замедляющей системе для времяанализирующих электронно-оптических преобразователей, содержащей пару прямых отклоняющих пластин проходного типа, расположенных между экранными проводниками симметричной полосковой линии, достигается тем, что в экранных проводниках симметричной полосковой линии выполнены образующие профиль замедления пазы, заполненные диэлектрическими вставками с высотой, превышающей глубину паза, на диэлектрических вставках установлены прямые отклоняющие пластины.

Существо изобретения заключается в согласовании скорости движения фронта волны отклоняющего сигнала со скоростью движения электронного луча, что позволяет избежать ограничения полосы пропускания за счет пролетного эффекта, а также в том, что достигнуты одинаковые значения волновых сопротивлений на участках, где есть пазы с диэлектрическими вставками и на участках, где пазов нет. Конструктивно это достигнуто изменением формы экранного проводника, а также тем, что отклоняющие пластины установлены на выступающих над поверхностью экранных проводников диэлектрических вставках с невысоким значением диэлектрической проницаемости ε. Это обеспечивает условия замедления электрической волны до скорости электронного пучка и равенства волновых сопротивлений на участках с диэлектрическими вставками и без них.

Предлагаемая отклоняюще-замедляющая система для времяанализирующих электронно-оптических преобразователей (в разрезе) представлена на фиг. 1. На фиг. 2 представлено поперечное сечение участка отклоняющей пластины на диэлектрических опорах. Принятые обозначения: экранные проводники 1, 2, отклоняющие пластины 3, 4, электронный пучок 5, пазы 6, выполнены в экранных проводниках 1, 2, диэлектрические вставки 7.

Обозначения, принятые на фиг.2: L - период структуры, L_п - ширина паза, Δh - глубина паза, h - расстояние между отклоняющей пластиной и экранным проводником симметричной полосковой линии, Н - полная высота диэлектрической вставки, t - толщина отклоняющей пластины.

Прямые отклоняющие пластины 3, 4 проходного типа расположены между экранными проводниками 1, 2, которые образуют симметричную полосковую линию. Пазы 6, выполненные в экранных проводниках 1, 2, образуют профиль замедления. Диэлектрические вставки 7, заполняющие пазы 6, (замедляющая структура) увеличивают замедление распространения электронного пучка 5. Кроме того, диэлектрические вставки 7 позволяют достичь одинаковых значений волновых сопротивлений на участках с пазами 6 и без них.

Предлагаемая отклоняюще-замедляющая система для времяанализирующих электронно-оптических преобразователей работает следующим образом. Электронный пучок 5, пролетая между отклоняющими пластинами 3, 4, отклоняется пропорционально приложенному к пластинам парафазному напряжению (подаваемому, например, в виде коротких импульсов развертки изображения ЭОП). В рассматриваемой проходной отклоняющей системе замедление электромагнитной волны происходит, по существу, по экранным проводникам 1, 2 во время прохождения электронного пучка 5 мимо пазов 6, заполненных диэлектрическими вставками 7.

Теоретическое обоснование возможности замедления по экранному проводнику заключается в эквивалентности влияния токов в каждом из проводников двухпроводной линии на параметры распространения волны в линии. Это следует из того, что для квази-Т-волны, распространяющейся в симметричной полосковой линии, имеются в основном только поперечные компоненты электромагнитного поля, электрическая составляющая которого отклоняет электронный пучок. При этом вектора электрического и магнитного полей жестко связаны с током в обоих проводниках линии. При этом замедление тока вследствие удлинения пути протекания токов в любом из проводников линии приводит к замедлению фронта Т-волны. В данной конструкции ОЗС, в отличие от известной конструкции меандровой ОС, замедление осуществляется по экранному проводнику, что позволяет избежать недостатков меандровой ОС, рассмотренных выше.

Оптимизация параметров замедляющей структуры (период структуры, глубина паза, ширина паза, высота части диэлектрической вставки, расположенной над отклоняющей пластиной, полная высота диэлектрической вставки и значение диэлектрической проницаемости ε) достигается расчетом.

Таким образом, в предлагаемой отклоняюще-замедляющей системе объединены достоинства проходной и меандровой ОС. Достоинства проходной ОС - простота конструкции, отсутствие керамики с высокой диэлектрической проницаемостью на пути прохождения электронного луча (последнее снижает опасность расфокусировки электронного луча) сочетаются с достоинством меандровой отклоняющей системы, заключающимся в согласовании скорости движения фронта волны отклоняющего сигнала со скоростью движения электронного луча, что обеспечивает расширение полосы пропускания ОЗС.

Экспериментальным и расчетным путем получено, что предлагаемая ОС, обладая достоинствами прототипа (простота конструкции и приемлемая чувствительность S=0,1 мм/В), имеет полосу пропускания в 4-5 раз выше, чем у прототипа.

Источники информации

1. В.А.Шкунов, Г.И.Семеник. Широкополосные трубки и их применение. М.: Энергия, 1976.

2. Каталог фирмы Hamamatsu, 1997, JP, Hamamatsu Femtosecond Streak Camers.

3. H.A.Флеро. Пикосекундная кинематография, разработка средств лазерной и плазменной диагностики. Комиссариат по атомной энергии (франц).

4. Патент США 5866897, H 01 J 31/50, 02.02.1999, заявитель фирма Hamamatsu, (прототип).

5. ЕР 0829782, H 01 J 31/50, 18.03.1998, заявитель фирма Hamamatsu, JP.

6. JP 10048044, H 01 J 31/50, 18.03.1998, заявитель фирма Hamamatsu, JP.

Изобретение относится к области электровакуумной техники и может быть применено при построении хронографических электронно-оптических преобразователей (ЭОП), используемых при исследовании оптических процессов пико- и фемтосекундного диапазона. Технический результат: расширение полосы пропускания отклоняюще-замедляющей системы (ОЗС) для хронографических электронно-оптических преобразователей при обеспечении приемлемой чувствительности ОЗС. Сущность изобретения заключается в согласовании скорости движения фронта волны отклоняющего сигнала со скоростью движения электронного луча, что позволяет избежать ограничения полосы пропускания за счет пролетного эффекта, а также в том, что достигнуты одинаковые значения волновых сопротивлений на участках, где есть пазы с диэлектрическими вставками. 2 ил.

Отклоняюще-замедляющая система для времяанализирующих электронно-оптических преобразователей, содержащая пару прямых отклоняющих пластин проходного типа, расположенных между экранными проводниками симметричной полосковой линии, отличающаяся тем, что в экранных проводниках симметричной полосковой линии выполнены образующие профиль замедления пазы, заполненные диэлектрическими вставками, с высотой, превышающей глубину паза, на диэлектрических вставках установлены прямые отклоняющие пластины.