Способ и устройство для измерения фактора шума микроканальной пластины Российский патент 2024 года по МПК H01J43/04 G01R29/26 G01M11/00 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для контроля величины фактора шума микроканальных пластин (МКП) в процессе их изготовления. Величина фактора шума характеризует возможность МКП усиливать входной сигнал без искажений.

Известен фотометрический способ измерения фактора шума микроканальной пластины, в котором выполняется измерение и цифровая обработка оптических сигналов, соответствующих токам микроканальной пластины, при этом обработка сигналов состоит из расчета величины отношения сигнал-шум входного тока (SNR_IN) и из определения отношения сигнал-шум (SNR_OUT) измеренного выходного оптического сигнала, с последующим вычислением фактора шума (см. патент RU № 2677230, МПК (2006.01) H01J 43/04, опубл. 16.01.2019 г.).

Недостатком способа является сложность, связанная с необходимостью измерять и учитывать инерционность люминесцентного экрана, при этом не учитываются аппаратурные шумы. Кроме того, требуется предварительный расчет отношения SNR_IN в зависимости от величины входного тока МКП, а также не учитывается возможность изменения контролируемых сигналов с течением времени, так как процессы расчета отношения SNR_IN и измерения сигналов для расчета отношения SNR_OUT выполняются в разные моменты времени.

Наиболее близким к предлагаемому техническому решению, является способ определения фактора шума микроканальной пластины, включающий измерение и цифровую обработку сигналов, при которых определяют величины отношений сигнал-шум входного и выходного токов микроканальной пластины, с последующим вычислением фактора шума (см. Honggang Wang, Yujie Du, Yu Feng, Yang Lv, Xiaoming Hu and Yunsheng Qian. «Effective Evaluation of the Noise Factorof MicroChannel Plate» Hindawi Publishing Corporation. Advancesin Opto Electronics. Volume 2015, ArticleI D 781327, 6 pages).

Недостатком способа измерения фактора шума микроканальной пластины является его сложность, связанная с необходимостью искусственного формирования шумов входного тока микроканальной пластины за счет его модуляции случайными синусоидальными сигналами, подчиняющимися распределению Пуассона, при этом не учитываются естественные шумы, присущие термоэлектронному катоду, такие как тепловой и дробовой шум, а также аппаратурные шумы и утечки, присутствующие в токах МКП.

Наиболее близким к предлагаемому техническому решению является устройство для измерения фактора шума, содержащее вакуумный блок, в котором размещен термоэлектронный катод, контролируемая микроканальная пластина, система электронной фокусировки и люминесцентный экран-анод. Кроме того, в состав устройства входят блоки электропитания, а также система контроля и обработки оптических сигналов, выполненная на основе компьютера (см. Honggang Wang,Yujie Du, Yu Feng, Yang Lv, Xiaoming Hu and Yunsheng Qian. «Effective Evaluation of the Noise Factorof MicroChannel Plate» Hindawi Publishing Corporation. Advancesin Opto Electronics.Volume 2015, ArticleID 781327, 6 pages).

Недостатком прототипа устройства является его сложность, связанная с применением системы модуляции, случайными синусоидальными сигналами, подчиняющимися распределению Пуассона, входного тока микроканальной пластины. Кроме того, устройство не позволяет учитывать естественные шумы термоэлектронного катода, аппаратурные шумы и утечки тока между элементами вакуумного блока. А также в устройстве происходит двухступенчатое преобразование сигналов: выходной ток МКП преобразуется с помощью люминесцентного экрана-анода в оптический сигнал, который затем преобразуется измерительной аппаратурой в регистрируемый уровень напряжения, это ухудшает точность измерений.

Техническим результатом предлагаемого технического решения является упрощение и повышение точности измерения величины фактора шума за счет одновременного контроля непосредственно входных и выходных токов МКП и за счет одновременного учета естественных шумов и утечек в элементах оборудования.

Данный технический результат достигается тем, что в способе измерения величины фактора шума микроканальной пластины, включающем измерение и цифровую обработку сигналов, при которых определяют величины отношений сигнал-шум входного и выходного токов микроканальной пластины, с последующим вычислением фактора шума, согласно изобретению, входные и выходные токи, а также соответствующие им аппаратурные шумы и утечки тока измеряют непосредственно на входе и на выходе микроканальной пластины, оцифровывают измеренные сигналы и вычисляют разности величин средних значений постоянных составляющих токов и соответствующих аппаратурных утечек тока на входе и выходе микроканальной пластины, а также разности среднеквадратических значений переменных составляющих токов и соответствующих аппаратурных шумов на входе и на выходе микроканальной пластины, при этом вычисляют отношения сигнал-шум токовых сигналов на входе и на выходе микроканальной пластины и вычисляют фактор шума.

Также данный технический результат достигается тем, что устройство для измерения фактора шума, в состав которого входят блоки электропитания, компьютер и вакуумный блок, в котором установлен термоэлектронный катод, система электронной фокусировки, контролируемая микроканальная пластина и экран-анод, согласно изобретению, вход микроканальной пластины соединен с корпусом вакуумного блока, который заземлен, при этом вход и выход микроканальной пластины подключены к блоку электропитания МКП, кроме того, вход микроканальной пластины соединен с термоэлектронным катодом через последовательную электрическую цепь, состоящую из пикоамперметра и блока ускоряющего напряжения, и с экраном-анодом через последовательную электрическую цепь, состоящую из наноамперметра и блока электропитания анода, причем корпус пикоамперметра и корпус наноамперметра подключены к корпусу вакуумного блока, при этом пикоамперметр и наноамперметр с помощью интерфейсных линий соединены с компьютером, кроме того, термоэлектронный катод подключен к блоку электропитания катода, а блок ускоряющего напряжения и блок электропитания анода подключены к сети электропитания через разделительный трансформатор.

Предложенный способ и устройство для измерения величины фактора шума микроканальной пластины позволит упростить и повысить точность за счет одновременного контроля входного и выходного токов микроканальной пластины при одновременном учете в цепях протекания этих токов всех составляющих аппаратурных утечек и шумов.

Сущность изобретения поясняется чертежом, где на чертеже изображена функциональная схема устройства, реализующего способ измерения фактора шума МКП.

Устройство, реализующее способ измерения фактора шума, состоит из вакуумного блока 1, в котором установлен термоэлектронный катод 2, система электронной фокусировки 3, микроканальная пластина 4 и экран-анод 5, при этом металлизированные поверхности входа 6 и выхода 7 микроканальной пластины 4 подключены к выводам блока электропитания МКП 8, кроме того, вход 6 микроканальной пластины 4 соединен с корпусом вакуумного блока 1, который заземлен, также к корпусу вакуумного блока подключен корпус пикоамперметра 9 и корпус наноамперметра 10, при этом пикоамперметр 9 и наноамперметр 10 с помощью интерфейсных линий 11 и 12 соединены с компьютером 13. Между пикоамперметром 9 и термоэлектронным катодом 2 включен блок ускоряющего напряжения 14, а между наноамперметром 10 и экраном-анодом 5 установлен блок электропитания анода 15, при этом блоки 14 и 15 подключены к сети электропитания через разделительный трансформатор 16, а к выводам термоэлектронного катода 2 подключен блок электропитания катода 17.

Способ и устройство для измерения фактора шума микроканальной пластины осуществляется следующим образом.

Способ измерения фактора шума осуществляют в двух режимах работы устройства: в режиме контроля входного и выходного токов микроканальной пластины 4 и в режиме контроля аппаратурных шумов и утечек тока через элементы вакуумного блока 1 с последующим вычитанием величин аппаратурных шумов и утечек из величин соответствующих токов МКП.

При работе устройства в режиме контроля входных и выходных токов подают напряжение на все элементы вакуумного блока 1, для этого включают блок электропитания катода 17, блок ускоряющего напряжения 14, блок электропитания МКП 8 и блок электропитания анода 15 (см чертеж). Термоэлектронный катод 2 нагревается электрическим током, протекающим в цепи блока электропитания катода 17, и генерирует электроны, которые под действием блока ускоряющего напряжения 14 движутся в сторону микроканальной пластины 4. Система электронной фокусировки 3 равномерно распределяет электроны по поверхности входа 6 микроканальной пластины 4, при этом в электрической цепи между термоэлектронным катодом 2 и входом 6 микроканальной пластины 4 протекает входной ток, который регистрируется и оцифровывается пикоампермертом 9, а полученный цифровой код по интерфейсной линии 11 поступает в компьютер 13. Одновременно с этим под действием напряжения блока электропитания МКП 8, приложенного к выводам 6 и 7 микроканальной пластины 4, происходит «умножение» электронов в каналах микроканальной пластины 4. При этом, между выходом 7 микроканальной пластины и экраном-анодом 5 приложено напряжение, величина которого равна разности напряжений блока электропитания анода 15 и блока электропитания МКП 8, и под действием этого напряжения между выходом 7 микроканальной пластины 4 и экраном-анодом 5 протекает выходной ток, который регистрируется и оцифровывается наноамперметром 10, а полученный цифровой код по интерфейсной линии 12 поступает в компьютер 13. Блок ускоряющего напряжения 14 и блок электропитания анода 15 подключены к сети электропитания через разделительный трансформатор 16, отделяющий блоки 14 и 15 от заземленного корпуса вакуумной камеры 1. В компьютере 13 происходит разделение оцифрованных сигналов на постоянную и переменную составляющие и вычисление величин средних значений постоянных составляющих входного (SC_IN) и выходного (SC_OUT) токов микроканальной пластины 4, а также величин среднеквадратических значений переменных составляющих входного (NC_IN) и выходного (NC_OUT) токов микроканальной пластины 4.

При работе устройства в режиме контроля аппаратурных шумов и утечек отключают блок электропитания катода 17, при этом термоэлектронный катод 2 не генерирует электроны, а токи, вызванные аппаратурными шумами, утечками через элементы вакуумного блока 1, электромагнитным и радиоактивным излучением, протекающие под действием напряжений блока ускоряющего напряжения 14, блока электропитания МКП 8 и блока электропитания анода 15, регистрируются и оцифровываются с помощью пикоамперметра 9 и наноамперметра 10, а полученные цифровые коды по интерфейсным линиям 11, 12 поступают в компьютер 13. В компьютере 13 происходит разделение оцифрованных сигналов на постоянную и переменную составляющие и вычисление величин средних значений постоянных составляющих входного (SN_IN) и выходного (SN_OUT) токов аппаратурных утечек, а также величин среднеквадратических значений переменных составляющих входного (NN_IN) и выходного (NN_OUT) токов аппаратурных шумов. В компьютере 13 выполняется вычисление отношений сигнал-шум входных SNR_IN и выходных SNR_OUT токов микроканальной пластины (см. формулы 1 и 2) и фактора шума (F) (см. формулу 3):

SNR_IN=(SC_IN- SN_IN) / (NC_IN-NN_IN (1)

SNR_OUT=(SC_OUT- SN_OUT) / (NC_OUT-NN_OUT) (2)

F=SNR_IN/SNR_OUT (3),

где SC_IN - величина среднего значения постоянной составляющей входного тока МКП,

SN_IN - величина среднего значения постоянной составляющей тока аппаратурных утечек в цепи входного тока МКП,

NC_IN - величина среднеквадратического значения переменной составляющей входного тока МКП,

NN_IN - величина среднеквадратического значения переменной составляющей аппаратурных шумов в цепи входного тока МКП,

SC_OUT - величина среднего значения постоянной составляющей выходного тока МКП,

SN_OUT - величина среднего значения постоянной составляющей тока аппаратурных утечек в цепи выходного тока МКП,

NC_OUT - величина среднеквадратического значения переменной составляющей выходного тока МКП,

NN_OUT - величина среднеквадратического значения переменной составляющей аппаратурных шумов в цепи выходного тока МКП.

Использование предложенных способа и устройства для измерения фактора шума микроканальных пластин позволит по сравнению с прототипом упростить и повысить точность измерения токов и величины фактора шума за счет одновременного контроля непосредственно входных и выходных токов МКП и за счет одновременного учета естественных шумов и утечек в элементах оборудования.

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для контроля величины фактора шума микроканальных пластин (МКП) в процессе их изготовления. Способ включает измерение и цифровую обработку сигналов, при которых определяют величины отношений сигнал-шум входного и выходного токов микроканальной пластины, с последующим вычислением фактора шума. При этом входные и выходные токи, а также соответствующие им аппаратурные шумы и утечки тока измеряют непосредственно на входе и на выходе микроканальной пластины, оцифровывают измеренные сигналы и вычисляют разности величин средних значений постоянных составляющих токов и соответствующих аппаратурных утечек тока на входе и выходе микроканальной пластины, а также разности среднеквадратических значений переменных составляющих токов и соответствующих аппаратурных шумов на входе и на выходе микроканальной пластины. Затем вычисляют отношения сигнал-шум токовых сигналов на входе и на выходе микроканальной пластины и вычисляют фактор шума. Устройство для измерения фактора шума МКП включает блоки электропитания, компьютер и вакуумный блок, в котором установлен термоэлектронный катод, система электронной фокусировки, контролируемая микроканальная пластина и экран-анод. При этом вход микроканальной пластины соединен с корпусом вакуумного блока, который заземлен, причем вход и выход микроканальной пластины подключены к блоку электропитания МКП, кроме того, вход микроканальной пластины также соединен с термоэлектронным катодом через последовательную электрическую цепь, состоящую из пикоамперметра и блока ускоряющего напряжения, а также с экраном-анодом через последовательную электрическую цепь, состоящую из наноамперметра и блока электропитания анода, при этом корпус пикоамперметра и корпус наноамперметра подключены к корпусу вакуумного блока. Пикоамперметр и наноамперметр с помощью интерфейсных линий соединены с компьютером. Термоэлектронный катод подключен к блоку электропитания катода, а блок ускоряющего напряжения и блок электропитания анода подключены к сети электропитания через разделительный трансформатор. Технический результат заключается в упрощении и повышении точности измерения величины фактора шума за счет одновременного контроля непосредственно входных и выходных токов МКП и за счет одновременного учета естественных шумов и утечек в элементах оборудования. 2 н.п. ф-лы, 1 ил.

1. Способ измерения фактора шума микроканальной пластины, включающий измерение и цифровую обработку сигналов, при которых определяют величины отношений сигнал-шум входного и выходного токов микроканальной пластины, с последующим вычислением фактора шума, отличающийся тем, что входные и выходные токи, а также соответствующие им аппаратурные шумы и утечки тока измеряют непосредственно на входе и на выходе микроканальной пластины, оцифровывают измеренные сигналы и вычисляют разности величин средних значений постоянных составляющих токов и соответствующих аппаратурных утечек тока на входе и выходе микроканальной пластины, а также разности среднеквадратических значений переменных составляющих токов и соответствующих аппаратурных шумов на входе и на выходе микроканальной пластины, при этом вычисляют отношения сигнал-шум токовых сигналов на входе и на выходе микроканальной пластины и вычисляют фактор шума.

2. Устройство для измерения фактора шума микроканальной пластины, включающее блоки электропитания, компьютер и вакуумный блок, в котором установлен термоэлектронный катод, система электронной фокусировки, контролируемая микроканальная пластина и экран-анод, отличающееся тем, что вход микроканальной пластины соединен с корпусом вакуумного блока, который заземлен, причем вход и выход микроканальной пластины подключены к блоку электропитания МКП, кроме того, вход микроканальной пластины также соединен с термоэлектронным катодом через последовательную электрическую цепь, состоящую из пикоамперметра и блока ускоряющего напряжения, а также с экраном-анодом через последовательную электрическую цепь, состоящую из наноамперметра и блока электропитания анода, при этом корпус пикоамперметра и корпус наноамперметра подключены к корпусу вакуумного блока, а пикоамперметр и наноамперметр с помощью интерфейсных линий соединены с компьютером, к тому же термоэлектронный катод подключен к блоку электропитания катода, а блок ускоряющего напряжения и блок электропитания анода подключены к сети электропитания через разделительный трансформатор.