УСТРОЙСТВО ДЛЯ РЕГУЛИРОВАНИЯ ЯРКОСТИ СВЕЧЕНИЯ ЭКРАНА ЭЛЕКТРОННО-ОПТИЧЕСКОГО ПРЕОБРАЗОВАНИЯ С МИКРОКАНАЛЬНОЙ ПЛАСТИНОЙ Советский патент 2006 года по МПК G05D25/02 

Изобретение относится к области электроники и может быть использовано в приборах ночного видения, спектрометрии, астрофизике и рентгенотехнике при регистрации низкоинтенсивных световых потоков, в частности, в усилителях радиационно-оптических изображений.

Известно устройство для автоматического управления яркостью свечения экрана усилителя оптического изображения [1], в котором напряжения на электроды электронно-оптического преобразователя (ЭОПа) подаются от источника питания через схему умножителя напряжения, а в качестве источника питания используется преобразователь постоянного напряжения в переменное [2]. Защита экрана ЭОПа от пересвета и возможного "прожига" люминофора в известных устройствах осуществляется путем автоматического понижения ускоряющего напряжения на микроканальной пластине с последующим отключением источника питания при достижении интенсивности светового потока предельно допустимого значения, что сужает диапазон освещенности фотокатода и уменьшает надежность защиты экрана при повторных включениях устройства. Использование известных устройств не позволяет обеспечить требуемый диапазон освещенности фотокатода при надежной защите экрана в условиях радиационного контроля с помощью усилителей радиационно-оптического изображения широкого круга предметов, проходящих через таможний досмотр и спец. службы.

Наиболее близким решением к предложенному изобретению по технической сущности прототипом [3] является устройство автоматического контроля яркости экрана электронно-оптического преобразователя с микроканальной пластиной, содержащее преобразователь напряжения, выход которого соединен со входом умножителя напряжения, выходы которого подключены к фотокатоду, фокусирующему электроду и экрану электронно-оптического преобразователя, причем экран соединен с детектором тока; блок стабилизации, включенный между входом управления и выходом преобразователя напряжения через инвертор и выпрямитель; усилитель обратной связи и источник постоянного напряжения.

Автоматическая регулировка яркости свечения экрана в устройстве прототипа осуществляется уменьшением ускоряющего напряжения на микроканальной пластине ЭОПа путем изменения сопротивления фоторезистора, включенного между выходом умножителя напряжения и входом микроканальной пластины. Так как фоторезистор оптически соединен с неоновой лампой, то его сопротивление зависит от яркости свечения газового разряда лампы, которое управляется током экрана через цепь: детектор тока - усилитель - неоновая лампа - выход преобразователя напряжения. Режим напряжений на остальных электродах ЭОПа в этом случае сохраняется неизменным. Недостатком такого решения является узкий диапазон освещенности фотокатода при автоматической регулировке яркости свечения экрана из-за ограниченных пределов изменения величины сопротивления фоторезистора и диапазона яркости свечения газового разряда неоновой лампы.

Защита экрана от пересвета и "прожига" люминофора при достижении освещенности фотокатода ЭОПа предельно допустимой величины в устройстве прототипа достигается путем перевода преобразователя напряжений в пульсирующий режим, т.е. когда напряжения на электродах ЭОПа релаксируют от нулевого значения до номинала, при этом экран периодически вспыхивает.

Недостатком защиты экрана в прототипе является низкая надежность, потому что в импульсе сохраняется фокусировка электронов переноса изображения с фотокатода на экран. В результате на отдельных участках экрана могут быть сфокусированы потока света, интенсивность которых намного превышает допустимый уровень, хотя при этом средний ток экрана может быть ниже допустимого, что повышает вероятность "прожига" отдельных участков экрана, а также разрушение фотокатода при установлении номинальных ускоряющих напряжений в импульсе.

Итак, недостатком прототипа является узкий диапазон освещенности фотокатода и низкая надежность защиты.

Целью изобретения является расширение диапазона освещенности фотокатода и повышение надежности защиты.

Поставленная цель достигается тем, что в устройство автоматического контроля яркости экрана электронно-оптического преобразователя с микроканальной пластиной дополнительно введены: умножитель напряжения, преобразователь напряжения, блок стабилизации с выпрямителем, инвертор и усилитель, причем вход микроканальной пластины подключен к выходу умножителя напряжения, вход которого соединен с выходом преобразователя напряжения, вход управления которого соединен через инвертор с выходами блока стабилизации и усилителя, причем вход блока стабилизации соединен через выпрямитель с выходом преобразователя напряжений, а вход усилителя - с нагрузкой детектора тока; выход усилителя обратной связи соединен с выходом первого блока стабилизации, а вход - через амплитудный ограничитель - с нагрузкой детектора тока.

Сущность предлагаемого изобретения будет понятна из структурной схемы устройства и эпюр временной зависимости токов и напряжений, изображенных на фиг.1 и 2 соответственно.

Структурная схема предлагаемого устройства содержит преобразователь напряжений 2, выход которого соединен с входами умножителя напряжений 7 и через выпрямитель 4 с блоком стабилизации 6. Выходы умножителя напряжения 7 соединены с фотокатодом, фокусирующим электродом и экраном электронно-оптического преобразователя 13.

Вход управления преобразователя напряжения 2 соединен через инвертор 3 с выходами блока стабилизации 6 и усилителя обратной связи 5, вход которого подключен через амплитудный ограничитель 8 к нагрузке детектора тока 9-й к входу дополнительного усилителя 10, выход которого соединен с выходом блока стабилизации 11 и через инвертор 13 - с входом управления дополнительного преобразователя напряжений 15, выход которого подключен через выпрямитель 14 к блоку стабилизации 11 и к входу умножителя напряжения 12, выход которого соединен со входом микроканальной пластины. Вход детектора тока 9 соединен с экраном ЭОПа. Источник постоянного напряжения 1 подключен к преобразователям напряжения 2, 15.

Предлагаемое устройство работает следующим образом. В отсутствии освещенности фотокатода при подаче постоянного напряжения от источника 1 на преобразователи напряжения 2 и 15 с их выходов переменное напряжение выпрямляется в умножителях напряжений 7 и 12 соответственно. При подаче высокого напряжения на электроды ЭОПа устанавливается номинальный коэффициент усиления по току микроканальной пластины. Распределение токов и напряжений в различных точках схемы устройства схематически изображено на эпюрах фиг.2.

В процессе изменения освещенности фотокатода световым потоком имеет место три области:

область I - освещенность фотокатода мала, участок на эпюрах от 0 до t₁;

область II - освещенность фотокатода достигает допустимого значения, участок - от t₁ до t₂;

область III - освещенность фотокатода превышает допустимое значение, участок - более t₂.

В области I с ростом освещенности фотокатода пропорционально увеличивается ток экрана (эпюра б), который формирует на нагрузке детектора 9 напряжение смещения U₃ (эпюра д), поступающее на входы амплитудного ограничителя 8 и усилителя 10. Усилитель 10 в соединении с нагрузкой блока стабилизации II образует переменный делитель напряжения U₄, которое через инвертор 13 управляет выходным напряжением преобразователя напряжения 15.

Выходное сопротивление усилителя 10 (а также и усилителя обратной связи 5) выбрано с нелинейной зависимостью от величины напряжения смещения U₃ на его входе, т.е. при увеличении смещения до определенного уровня (в точке t₁, для усилителя 10 и в точке t₂ для усилителя 5) остается практически постоянным, причем величины его больше, чем сопротивление нагрузки блока стабилизации, а затем уменьшается в обратно пропорциональной зависимости. При постоянном выходном сопротивлении усилителя блок стабилизации поддерживает стабилизированное выходное напряжение на электродах ЭОПа U₅, U₆, U₇ и U₈. В результате коэффициент усиления микроканальной пластины поддерживается также номинальным, что определяет рост тока и яркости экрана пропорционально освещенности фотокатода с максимальной крутизной, т.е. отрицательная обратная связь по цепи детектор тока 9 - усилитель 10 - инвертор 13 - преобразователь напряжения 15 - умножитель напряжения 12 - вход микроканальной пластины в области 1 не функционирует и ослабление яркости экрана не происходит.

В области I достигается максимальное усиление радиационно-оптического изображения с высокой контрастной чувствительностью.

В области II выходное сопротивление усилителя 10 уменьшается обратно пропорционально росту напряжения смещения до величины намного меньшее чем сопротивление нагрузки блока стабилизации II, что выводит его из режима стабилизации. В результате напряжение переменного делителя U₄ падает и соответственно уменьшается напряжение на электродах микроканальной пластины U₈, что обуславливает уменьшение коэффициента усиления ЭОПа и, следовательно, крутизны роста тока и яркости экрана как схематично показано на эпюрах фиг.2 б и к на участке от t₁ до t₂. При этом яркость экрана не превышает допустимый уровень B_д. В этом случае отрицательная обратная связь по питанию микроканальной пластины функционирует, благодаря чему осуществляется автоматическая регулировка яркости свечения экрана. При этом еще имеет место усиление яркости экрана в зависимости от освещенности фотокатода, но с меньшей и все убывающей крутизной по отношению к крутизне в области I.

Потенциалы напряжений на фотокатоде, фокусирующем электроде и экране ЭОПа в этом случае поддерживаются постоянными, потому что отрицательная обратная связь по цепи их питания не функционирует, так как величина напряжения смещения, прошедшего через амплитудный ограничитель U₂, не достаточна для изменения выходного сопротивления усилителя обратной связи 5.

Итак в области II имеет место также усиление радиационно-оптического изображения, но с меньшей контрастной чувствительностью и обеспечение защиты экрана от возможного "прожига" люминофора. На эпюре фиг.2 тонкой линией показано, что если бы не было автоматической регулировки яркости, то имелась бы вероятность превышения допустимого уровня свечения экрана, которая привела бы к "прожигу" люминофора.

В области III коэффициент усиления микроканальной пластины минимальный, так как ускоряющее напряжение на ее электродах поддерживается минимальное.

При дальнейшем повышении освещенности фотокатода для обеспечения защиты экрана и фотокатода в области III включается отрицательная обратная связь по питанию фотокатода, фокусирующего электрода и экрана, последовательность процедуры которой схематично представлена на участке от t₂ и более эпюрами на фиг.2.

Возрастание тока экрана с увеличением освещенности фотокатода соответственно повышает напряжение смещения U₂ на входе усилителя обратной связи 5 и по аналогии с описанным процессом для усилителя 10 его выходное сопротивление уменьшается, что приводит к понижению ускоряющих напряжений на фотокатоде, фокусирующем электроде и экране ЭОПа, а, следовательно, к уменьшению энергии электронов переноса, а также расфокусировки потенциального рельефа радиационно-оптического изображения с фотокатода на экран. В результате воздействия отрицательной обратной связи на все ускоряющие напряжения ЭОПа ток экрана устанавливается постоянным, а яркость свечения экрана стабилизируется, при этом изображение расплывается, и свечение принимает равномерный фон с некоторым ослаблением яркости.

Таким образом, в области III усиление яркости свечения экрана не происходит, а осуществляется обеспечение защиты люминофора экрана от "прожига" и фотокатода при освещенности его световым потоком большой интенсивности.

На фиг.2 (эпюры б, з, и, к) приведен для сравнения процесс защиты экрана, реализуемый в устройстве прототипа. Точками 1-4 на эпюрах показаны стрелками изменения ускоряющих напряжений с момента развития полного разряда неоновой лампы, при котором образуется пульсирующий режим работы преобразователя напряжений и напряжения на электродах ЭОПа релаксируют от нуля до номинальных значений. А так как в момент включения ток растет пропорционально освещенности, а обратная связь из-за инерционности включается не сразу, то яркость экрана в импульсе может достигнуть значения, намного превышающего допустимый уровень, что повышает вероятность не только "прожига" люминофора экрана и разрушение фотокатода.

Предлагаемое устройство выгодно отличается от прототипа, потому что введение новых элементов и связей, в частности раздельное питание микроканальной пластины и остальных электродов ЭОПа с функционированием в их цепях отрицательной обратной связи на разных уровнях освещенности фотокатода, позволило значительно расширить диапазон освещенности и повысить надежность защиты по сравнению с прототипом в условиях импульсных и статических потоков света большой интенсивности.

Предлагаемое устройство экспериментально апробировано в макетах рентгеновских флуороскопов с усилением изображения на базе электронно-оптического преобразователя с микроканальной пластиной типа ЭП-10. Питание устройства осуществлялось от гальванических элементов, напряжением 3,5-4,5 В.

В схеме имеется возможность установки ширины диапазона автоматической регулировки яркости свечения экрана до 1 лк и порога защиты экрана из условия предельного уровня освещенности фотокатода в пределах 1-10 лк, что в несколько раз выше, чем у прототипа. Устройство выполнено на комплектующих и материалах отечественного производства.

Практическая реализация предлагаемого устройства позволит обеспечить службы министерств обороны и МВД высокочувствительными рентгеновскими флуороскопами с усилителями радиационно-оптического изображения.

Источники информации

1. Патент США № 3186744, МКИ⁴, H 01 31/50, 1983 г.

2. А.В.Митрофанов, А.И.Щеголев. Импульсные источники вторичного электропитания в бытовой радиоаппаратуре, 1985 г., с. 71.

3. Заявка Великобритании 2112550, МКИ⁴, G 05 D 25/02, 1983 г. - прототип.

Изобретение относится к области электроники и может быть использовано в приборах ночного видения, спектрометрии и т.д. Техническим результатом является повышение надежности устройства и расширение диапазона режимов его работы. Технический результат осуществляется за счет того, что устройство, содержащее умножитель напряжения, фотокатод, фокусирующий электрод, экран электронно-оптического преобразователя, преобразователь постоянного напряжения в переменное, включенные последовательно выпрямитель, стабилизатор и инвертор и детектор, вход которого является входом устройства, снабжено дополнительным преобразователем постоянного напряжения в переменное, дополнительными выпрямителем, стабилизатором и инвертором, включенными последовательно, дополнительный умножитель напряжения и дополнительный преобразователь. Устройство может быть снабжено амплитудным ограничителем. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Устройство для регулирования яркости свечения экрана электронно-оптического преобразователя с микроканальной пластиной, содержащее умножитель напряжения, первый, второй и третий выходы которого являются выходами устройства для питания соответственно фотокатода, фокусирующего электрода и экрана электронно-оптического преобразователя, а вход соединен с выходом преобразователя постоянного напряжения в переменное и, через включенные последовательно выпрямитель, стабилизатор и инвертор - с управляющим входом данного преобразователя, подключенного питающим входом к выходу источника питания, детектор, вход которого является входом устройства для сигнала об экранном токе электронно-оптического преобразователя и усилитель, выход и вход которого соединен соответственно с выходами стабилизатора и данного детектора, отличающееся тем, что, с целью повышения надежности устройства и расширения диапазона режимов его работы, оно содержит дополнительный преобразователь постоянного напряжения в переменное, включенные последовательно дополнительные выпрямитель, стабилизатор и инвертор, соединенный выходом с управляющим входом данного дополнительного преобразователя, и дополнительный умножитель напряжения, выход которого является выходом устройства для питания микроканальной пластины электронно-оптического преобразователя, а вход соединен со входом дополнительного выпрямителя и подключен к выходу дополнительного преобразователя постоянного напряжения в переменное.2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что оно содержит амплитудный ограничитель, причем выход детектора соединен со входом усилителя через амплитудный ограничитель.