Устройство для фоторегистрации быстропротекающих процессов Советский патент 1987 года по МПК H01J31/50 

11232074

Изобретение относится к электроной технике и может быть использовао в аппаратуре для регистрации быст- опротекающйх процессов.

Цель предлагаемого изобретения - асширение динамического диапазона стройства при.сохранении временного азрешения в фемтосекундном диапазоне за счет увеличения фототока. ю

На чертеже дана схема предлагаемоо устройства.

Устройство состоит из эле ктронно- птического преобразователя (ЭОП), одержащего размещенные в вакуумной 15 болочке и расположенные по ходу электронного луча фотокатод I, диафагму. 2, систему развертки 3, люмиесцентный экран 4, фокусирующую систему, выполненную в виде тонкой маг- 20 нитной линзы 5, генератора 6 высоковольтных импульсов напряжения и гене- ратора 7 напряжения развертки. При этом диафрагма 2 установлена на расстоянии Zj, от плоскости, проходящей 25 через центр магнитной линзы 5, выбранном из соотношения

aZ, - З-Ю и/В, (1) длина а магнитной линзы 5 и расстояние 1 диафрагмы 2 от системы разверт- 30 ки 3 выбраны из соотношения

al Ц где В„ мг T-.i

D ST/П,

(2)

- магнитная индукция линзы, Гц;

Ua - напряжение на ускоряющем электроде, кВ;

D - диаметр отверстия в диафрагме (ширина щели в диафрагме), мкм

п - число фотоэлектронов, участвующих в формировании изображения;

8т - временное разрешение устройства, пс;

ajZpH i - размеры, мм. Устройство для фоторегистрации быстропротекающих процессов работает

следующим образом. I

Исследуемый световой импульс, например лазерный, попа/;ая на фотокатод 1, вызывает эмиссию фотоэлектронов, ускоряющихся под действием импульсного напряжения, приложенного между фотокатодом 1 и диафрагмой 2 в направлении экрана 4. Диафрагма вырезает часть изображения, которое переносится на экран при помощи тонкой магнитной линзы 5.

к ра лю ля ра

от в по за ро но т

гд уч эл

мо им ни эл зы пр

гд тс вд

д

40

г

45 т и

50 н п в

55 л

Система развертки 3, подключенная к генератору 7 напряжения развертки,- разворачивает электронное пятно по люминесцентному экрану 4, осуществляя пространственно-временное преобразование исследуемого сигнала.

Полбжение магнитной линзы 5 по отношению к диафрагме 2, выбранное в соответствии с изобретением, как показьшает расчет, обеспечивает при заданном временном разрешении устройства 5 Т заданное число п электронов, формирующих изображение в ЭОПе, т.е. заданный динамический диапазон

устройства.

Временное разрешение устройства Т определяется соотношением

8т-л1(5

т,

Г-ь

}

где - временное разрешение без учета кулоновского взаимодействия электронов;

S Тк,д- затягивание регистрируемого импульса из-за кулоновского вза имодействия электронов. Для нахождения З ТКУД, решают уравнения движения электрона в магнитном поле B(Z) линзы 5, аппроксимированном Глазеровским приближением

B(Z)

/|1М -p)J, (3)

где Z отсчитывается от диафрагмы 2 вдоль оси прибора;

В - максимальное значение B(Z). Решение уравнений движений приводит к соотношению 4пеа1

Т

где

/S/ |2:e/m ;

.;

(3)

е и га - заряд и масса электрона;

- множитель, величина ко- торого определяется геометрией ЭОПа. Вычисления на ЭВМ показали, что множитель б слабо зависит от 1 и Z и по порядку величины равен 1,

При условии 0,3 ST куло- новское взаимодействие электронов практически не ухудшает временного разрешения устройства. При этом из выражения (3) следует соотношение выражения (2).

Условие фокусировки изображения на люминесцентный экран имеет вид

tg(Goarctg(- b)Ltgfoarctg(-)lco- а j i а, J

J,... 16 и,

где L - расстояние от диафрагмы 2 до

экрана 4. При условии

Zc- (

которавное (а1),„„ aZ(j +2а , достигается при выборе величины а в несколько раз меньшей, чем Z тем самым с обеспечивается выполнение условия

рое в реальных случаях выполняется как видно из приведенных ниже оценок), а также при очевидном условии L,

,npH котором верно соотношение (l) .

Например, В 1000 Гц, Ug 20 кВ,

,,,- L 250 мкм, D JOO мкм, S T-0,05nc

из выражения (4) следует соотношение соотношения (l) следует:aZ -60 мм

обеспечения числа электронов п 400, как видно из соотношения (2), значение произведения al должно составлять al « J 25 мм . Отсюда можно 15 выбрать значения а 4 мм, 2 15 мм.

о7 32Uj ,. 2. - -pgl

-)

т.е. соотношение (1).

Задаваясь значениями Uq, В, D

I U

57 - Т, п 5 получим из соотношений

и (2 )

(j)

соответственно значения произведений aZ и al. Если выполняется естественное требование

(например, ),то из двух соотношений (1) и (2) нетрудно выбрать значения трех величин а, Zg и 1. Однако для обеспечения максимального динамического диапазона, т.е. максимального значения п, произведение

al, как видно из соотношения (2), должно иметь минимальное значение,

.возможное при данном значении произведения aZg 5 которое следует из со отношения (1 ).

Условие фокусировки (4) записано в предположении, что система развертки 3, внутри которой магнитное поле линзы отсутствует, расположена достаточно далеко от центральной.плоскости линзы 5, т.е. на расстоянии от нее не менее 2а, следовательно,- минимальное значение произведения at,

1 30 мм.

Если же требуется обеспечить число электронов, равное п 600, то как видно из соотношения (2), должно 20 выполняться условие, при котором мм, а также aZ 60 мм . Эти условия могут быть выполнены при

мм, Zo«20 мм,1 Zo+2 «26 мм. В обоих приведенных примерах вы25

полняется условие

,.. , при котором верно соотношение (4).

Для сравнения оценим число электронов п, допустимое в устройстве 30 (прототипе), при том же аремениом разрешении и тех же значениях параметров Вд, Ua, D, L. При а и ьш, 1 50 1, для обеспечения Т-0,5пс число электронов не должно превьииать значения п 90.

Таким образом, устройство, выполненное согласно изобретению, обладя- ет динамическим диапазоном в 6-7 раз большим, чем прототип.

35

равное (а1),„„ aZ(j +2а , достигается при выборе величины а в несколько раз меньшей, чем Z тем самым с обеспечивается выполнение условия

,npH котором верно соотношение (l) .

(j)

1 30 мм.

Если же требуется обеспечить число электронов, равное п 600, то как видно из соотношения (2), должно выполняться условие, при котором мм, а также aZ 60 мм . Эти условия могут быть выполнены при

мм, Zo«20 мм,1 Zo+2 «26 мм. В обоих приведенных примерах вы25

полняется условие

,.. , при котором верно соотношение (4).

Для сравнения оценим число электронов п, допустимое в устройстве 30 (прототипе), при том же аремениом разрешении и тех же значениях параметров Вд, Ua, D, L. При а и ьш, 1 50 1, для обеспечения Т-0,5пс число электронов не должно превьииать значения п 90.

Таким образом, устройство, выполненное согласно изобретению, обладя- ет динамическим диапазоном в 6-7 раз большим, чем прототип.

35

Редактор Т.Янова

.Составитель В.Александров Техред М.Дидык Корректор МоШароии

Заказ 5907Тираж 697Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР

по делам изобретений и открытий 113035, Москва, Ж-355 Раушская наб., д,4/5

Производственно-полиграфическое предприятие, г.Ужгород, ул.Проектная,4