СПОСОБ ЭКСПЛУАТАЦИИ ЛАЗЕРНОЙ ЭЛЕКТРОННО-ЛУЧЕВОЙ ТРУБКИ Советский патент 1995 года по МПК H01S3/18 H01J31/08 

Изобретение относится к лазерным ЭЛТ-квантоскопам, в особенности к технологии эксплуатации мощных лазерных ЭЛТ.

Цель избретения повышение КПД и средней мощности излучения лазерной ЭЛТ.

Указанная цель достигается тем, что в предлагаемом способе эксплуатации лазерной ЭЛТ мишень лазерной ЭЛТ возбуждается сканирующим электронным пучком, ток которого моделируется, причем, согласно изобретению, модуляция тока пучка осуществляется прямоугольными импульсами подсвета таким образом, что скважность импульсов подсвета Q, амплитудное значение тока пучка I_амп и номинальное значение тока высоковольтного источника питания лазерной ЭЛТ I_ном связаны соотношением Q ≥ 2
Предложенное техническое решение основано на результатах экспериментальных исследований зависимости Р_изл и Р_изл от режима накачки. Эта зависимость обычно описывается т.н. ВАХ ватт-амперной характеристикой, устанавливающий связь между током пучка и мощностью излучения (лазерные ЭЛТ эксплуатируются при постоянном значении V). ВАХ известных лазерных ЭЛТ при оптимальных τ_ком с достаточной для практических целей точностью аппроксимируются линейной зависимостью [2,3] вида
Р_изл=Кl_п-Р_пор,
К т.н. дифференциальное значение КПД;
Р_пор пороговое значение мощности пучка.

Следует отметить, что в известных лазерных ЭЛТ электронно-оптические системы формируют пучки, диаметр которых практически не зависит от I_п, и плотность тока пучка j_п пропорциональна значению I_п. Значение К и Р_пор зависят от температуры ЛМ в данной точке ЛМ в момент возбуждения Т_лм. Известно [3] что
Т_лм= Т_кр+ ΔТ_ср+ ΔТ_имп, где Т_кр- температура криостата ЛМ;
ΔТ_ср среднее значение перегрева поверхности ЛМ относительно Т_кр;
ΔТ_имп импульсное значение перегрева данной точки ЛМ в момент возбуждения.

Значение ΔТ_ср определяется усредненным по времени значением мощности накачки Vl_п и тепловым сопротивлением между возбуждаемой поверхностью ЛМ и криостатом [3] ΔТ_ср ≈U˙I_п. Значение ΔТ_импопределяется адиабатическим разогревом возбуждаемой точки ЛМ за время, равное τ_ком [3]
ΔT, где С_р теплоемкость кристалла ЛМ;
m масса кристалла в объеме возбужденной области. Поскольку КПД ЛМ и лазерной ЭЛТ в целом η 1 , повышения значения Р_изл нужно добиваться повышением значения I_п. Однако при этом растут значения ΔТ_ср и Δ Т_имп и, соответственно, растет значение I_пор~ (Т_ср+Т_имп)³ и значение Р_пор. Из-за сверхлинейной зависимости I_порот ( ΔТ_ср+ ΔТ_имп) рост I_п приводит к снижению КПД, т. е. с ростом мощности накачки U˙I_п мощность излучения Р_изл растет сублинейно.

Хотя рост ΔТ_имп с увеличением I_п может быть компенсирован выбором времени коммутации τ_ком≅τ_опт, значение Δ Т_ср не зависит от τ_ком и зависимость Δ Т_cp~ U˙I_п сохраняется.

Таким образом, даже при оптимальных значениях τ_ком и V_ск попытка увеличить среднюю мощность излучения ЛМ за счет увеличения I_показывается неэффективной.

На фиг.1 изображены ВАХ лазерной ЭЛТ с ЛМ из Сd S_0,6Se_0,4 при Т_кр=80к:
кривая 1 получена в импульсно-сканирующем режиме возбуждения при длительности импульса подсвета τ_u5 мкс и частоте следования f_u=5 КГц;
кривая 2 получена в непрерывном режиме ("белый растр").

В обоих случаях τ_ком=τ_опт(V_ск=V_опт).

Сравнение кривых 1 и 2 (фиг.1) иллюстрирует влияние ΔТ_ср на КПД: несмотря на оптимальные значения V_ск и τ_ком. КПД в случае кривой 2 примерно в 1,5 раза ниже КПД в случае кривой 1; в случае кривой 1 значение Т_ср пренебрежимо мало (не более 1 К); в случае кривой 2 ΔT_cp≈50 К, при этом значения ΔТ_имп в обоих случаях одинаковы.

Складывается порочный круг: рост Р_изл при прочих равных условиях возможен только за счет роста I_п, но рост I_п приводит за счет перегрева к сверхлинейному росту Р_пор и, соответственно, сублинейному росту Р_изл с выходом кривой Р_изл (I_п) на плато. Анализ кривых фиг.1 приводит к выводу: для обеспечения высокого значения КПД, характерного для импульсно-сканирующего режима возбуждения, и одновременно высокой средней мощности излучения Р_изл режим возбуждения следует сделать импульсным, причем среднее значение тока I_п не должно превышать номинального тока источника питания, а импульсное значение тока пучка I_амп должно быть много больше порогового. В этом случае импульсный перегрев ΔТ_имп за счет выбора τ_ком останется неизменным, средний перегрев ΔТ_ср из-за постоянства значения I_п также не изменится, зато превышение тока накачки I_амп над пороговым значением для данного перегрева (Т_ср+ ΔТ_имп) будет значительно большим, чем при работе в режиме "белого растра". Если 20, то характерный рост I_пор за счет перегрева в 2-3 раза лишь незначительно изменяет определяющий КПД ЛМ множитель 1 Модулировать ток пучка следует прямоугольными импульсами подсвета, т.к. в этом случае минимизируются потери, связанные с медленным нарастанием тока на фронтах импульсов. При условии = I_ном режимы работы высоковольтного источника питания и устройства криостатирования остаются номинальными, а КПД ЛМ и Р_изл повышаются за счет большего, чем в режиме "белого растра", значения превышения . При измерениях мощности излучения квантоскопов в предложенных режимах использовались стандартные методы и приборы коаксиальные фотоэлементы, фотодиоды и калориметры. Поскольку ошибка измерений мощности излучения этими приборами не превышает 10% критерием при экспериментах являлось увеличение Р_изл в импульсном режиме по сравнению с Р_изл в непрерывном режиме ("белом растре") не менее, чем на 10% В экспериментах использовались квантоскопы типов 5КЛ2, 5КЛ4, 5КЛ3 с ЛМ из СdS_хSe_1-х(х=0-1), Zn_хCd_1-хS (х=0-0,12), ZnSе, GaАs. Увеличение Р_изл в импульсном режиме (Q>1) на 10% по сравнению с Р_изл в непрерывном режиме (Q=1) наблюдалось при Q>2. Это объясняется общим для квантоскопов характером зависимости порогового тока от температуры ЛМ: I_пор ≈ΔТ³. На фиг.2 приведены экспериментальные зависимости Р_изл от I_п в следующих режимах: кривая 1 непрерывный режим ("белый растр", Q=1); кривая 2 ток пучка промодулирован прямоугольными импульсами (Q=4), τ_имп=3 мкс, f_имп=8,3˙10⁴ Гц. Параметры лазерной ЭЛТ при эксплуатации по предложенному способу иллюстрируются примерами. В примерах использованы результаты измерений Р_изл квантоскопа типа 5КЛЗ с ЛМ из Т_кр=77К; U=64 кВ; I_ном=2мА, τ_ком=30 нс.

П р и м е р 1. Режим непрерывный ("белый растр"):
= I_ном= 2 мA(Q 1)
= 2,2 Вт
П р и м е р 2. Режим импульсный: τ_имп=5 мкс, f_имп=1,18˙10⁵ Гц.

= I_ном= 2 мA; I_амп= 3,4 мА(Q=1,7); = 2,48 Вт
П р и м е р 3. Режим импульсный: τ_имп=5
= I_ном= 2 мA; I_амп= 4 мА(Q=2); = 2,65 Вт
П р и м е р 4. Режим импульсный, τ_имп=5
= I_ном= 2 мA; I_амп= 5 мА(Q=2,5); = 2,95 Вт
П р и м е р 5. Режим импульсный: τ_имп=5
= I_ном= 2 мA; I_амп= 6 мА(Q=3); = 3,35 Вт
Из приведенных примеров видно, что эксплуатация лазерной ЭЛТ по предлагаемому способу, включающему модуляцию тока пучка прямоугольными импульсами, позволяет при неизменной средней мощности накачки увеличивать среднюю мощность излучения ЭЛТ за счет увеличения КПД в 1,2-1,5 раза (дальнейшее увеличение значений Q и I_амп было ограничено возможностями электронного прожектора ЭЛТ). В ходе описанных экспериментов при фиксированных значениях Q исследовалось влияние абсолютных значений τ_имп на Р_изл. В диапазоне изменений τ_имп от 20 нс до 12 мкс влияния значения τ_имп на Р_изл при фиксированном значении Q не было обнаружено.

Изобретение: лазерные электронно-лучевые трубки квантоскопы. Сущность изобретения: способ эксплуатации лазерной ЭЛТ включает сканирование лазерной мишени электронным пучком и импульсную модуляцию тока пучка. Модуляцию производят с целью повышения мощности излучения прямоугольными импульсами, скважность которых Q не менее 2 и связана с амплитудным значением тока пучка l_амп мА и номинальным значением тока высоковольтного источника питания l_ном мА, следующим соотношением: Q = l_амп/l_ном 2 ил.

СПОСОБ ЭКСПЛУАТАЦИИ ЛАЗЕРНОЙ ЭЛЕКТРОННО-ЛУЧЕВОЙ ТРУБКИ, включающий сканирование лазерной мишени пучком быстрых электронов и импульсную модуляцию тока пучка, отличающийся тем, что, с целью повышения КПД и мощности излучения, импульсную модуляцию тока пучка осуществляют прямоугольными импульсами подсвета со скважностью не менее 2, при этом скважность импульсов подсвета Q, амплитудное значение тока пучка I_амп, мА, и номинальное значение тока высоковольтного источника питания лазерной ЭЛТ I_ном, мА, выбраны из соотношения
Q=I_амп/I_ном.