книги / Электронная оптика и электроннолучевые приборы
..pdfдо десятков и сотен тысяч. В некоторых типах потенциалоскопов -за писанная информация сохраняется достаточно длительное время за счет высокой изоляции мишени, в других трубках для увеличения времени хранения записанных сигналов применяется специальный электронный луч, фиксирующий (поддерживающий) потенциаль ный рельеф.
Составными элементами потенциалоскопов являются мишень (потенциалоноситель), на поверхности которой создается потенци альный рельеф, электронные прожекторы, создающие записываю щий и считывающий электронные лучи, и отклоняющие системы. В отдельных случаях для создания записывающего и считывающе го луча используется один прожектор. Кроме основных элементов, потенциалоскопы имеют коллектор, собирающий электроны (вто ричные электроны, фотоэлектроны, электроны, отраженные от ми шени), сетки для создания электростатических полей необходимой конфигурации и другие вспомогательные элементы, например про водящую подложку мишени. Проводящая подложка часто назы вается сигнальной пластинкой, так как к ней может подводиться записываемый сигнал или с нее «сниматься» считываемая инфор мация.
§ 11.2. СПОСОБЫ ЗАПИСИ И СЧИТЫВАНИЯ
Существует несколько способов записи и считывания информации. В большинстве потенциалоскопов запись и считывание осуществ ляются электронным пучком, развертываемым по поверхности ми шени. Для создания потенциального рельефа обычно используется вторичная электронная эмиссия.
В общем случае мишень можно рассматривать как совокупность изолированных накопительных элементов. Практически мишень представляет собой либо слой диэлектрика (чаще), либо множество проводящих частиц, нанесенных на поверхность диэлектрика («мо заика»). Вторично-эмиссионные свойства диэлектрика (или поверх ности, образованной совокупностью проводящих частиц на диэлект рической подложке) графически описываются кривой зависимости коэффициента вторичной эмиссии от энергии падающих электронов (см. рис. 6.12). Коэффициент вторичной эмиссии а=1 при двух значениях энергии падающих (первичных) электронов: при ei = - e t /кр! (точка а) и при e\ = eUl{V2 (точка Ь). Кроме того, при ei->0 «кажущийся» коэффициент вторичной эмиссии стремится к еди нице.
При бомбардировке электронами поверхности непроводящей мишени потенциал ее элементов может принимать различные рав новесные (стабильные) значения в зависимости от энергии падаю щих (первичных) электронов. Энергия электронов, подлетающих к мишени, но еще не достигших ее поверхности, определяется прой денной разностью потенциалов от катода до последнего анода про жектора, формирующего пучок электронов, или расположенного вблизи мишени электрода — коллектора или сетки. Однако энергия электронов, бомбардирующих мишень, определяющая коэффициент
вторичной эмиссии, зависит от потенциала элемента мишени (отно сительно катода прожектора), который в случае диэлектрической поверхности может существенно отличаться от потенциала анода прожектора или коллектора (см. § 6.5).
Если ускоряющее напряжение (пройденная электронами раз ность потенциалов) меньше С/Крь то а<1, мишень будет терять за счет вторичной эмиссии меньше электронов, чем их приносится электронным пучком. В этом случае на поверхности мишени будет накапливаться отрицательный заряд, потенциал ее элементов будет понижаться. Накопление отрицательного заряда, а следовательно, снижение потенциала будет происходить до тех пор, пока Потен циал мишени не сравняется с потенциалом катода прожектора. По достижении элементами мишени потенциала катода прожектора у поверхности мишени создается тормозящее поле, препятствующее попаданию электронов на мишень. Дальнейшее накопление отрица тельного заряда прекращается, поверхность мишени принимает ну левой (относительно катода прожектора) равновесный потенциал.
При ускоряющем напряжении больше UKPu но меньше йщ,2 <г>1, от мишени уходит больше вторичных электронов, чем прино сится пучком, на поверхности мишени накапливается положитель ный заряд, потенциал мишени повышается. Однако заметного пре вышения потенциала мишени над потенциалом анода прожектора или коллектора не происходит, так как создающееся у поверхности мишени ускоряющее поле возвращает часть вторичных электронов на мишень, избыточный положительный заряд частично компенси руется. Таким образом, при Икр\^.иа^ .и к Р 2 на поверхности мише ни устанавливается равновесный потенциал, примерно равный по тенциалу последнего анода прожектора или потенциалам располо женных вблизи мишени сетки или коллектора.
При Ua>U KP2 сг<1, мишень теряет меньше вторичных электро нов, чем приносится пучком, на поверхности мишени накапливается отрицательный заряд. Однако снижения потенциала до нуля (по тенциала катода прожектора) не происходит, так как по достиже нии мишенью потенциала £/Kp2 коэффициент вторичной эмиссии ста новится равным единице. Дальнейшее накопление отрицательного заряда прекращается, на поверхности мишени устанавливается рав новесный потенциал, равный £/1ф2, не зависящий от энергии первич
ных электронов |
(при Ua>U Kр2). Зависимость потенциала мишени |
UMот энергии |
падающих (первичных) электронов eUa приведена |
на рис. 11.1. |
|
Из рисунка видно, что только в области ^ Кр1^ С /а^ ^ к р 2 Равно весный потенциал мишени зависит от Ua (примерно равен £/а). В областях же Ua< U ,<pi и Ua>U I(P2 равновесный потенциал мишени не зависит от ускоряющего напряжения, устанавливаясь на уров нях UM= 0 и UM= Ul{P2 соответственно.
Таким образом, при подготовке мишени к записи потенциал ее элементов доводится развертывающим электронным пучком До од ного из возможных для данной энергии первичных электронов рав новесных значений. Подготовка мишени к записи, т. е. развертка ее
поверхности немодулированным пучком электронов при отсутствии входных сигналов, может являться самостоятельной операцией.
В потенциалоскопах используются следующие способы записи: равновесная, бистабильная, неравновесная, запись возбужденной
проводимостью. Запись |
перераспределением |
зарядов, используе |
|
мая в телевизионных трубках (см |
§ 12.4), |
в потенциалоскопах |
|
встречается сравнительно редко. |
энергия |
электронов записы |
|
При р а в н о в е с н о й |
з а п и с и |
вающего пучка выбирается больше е<Укр2 или меньше eUKp\. При развертке мишени немодулированным пучком устанавливается рав
новесный |
потенциал |
£/1ф2 |
или |
|
|
||||
нуль. Если теперь подвести вход |
|
|
|||||||
ной сигнал к катоду записываю |
|
|
|||||||
щего прожектора, то новый рав |
|
|
|||||||
новесный |
потенциал |
будет |
тем |
|
|
||||
же по отношению |
к |
катоду, но |
|
|
|||||
будет изменяться |
по |
отношению |
|
|
|||||
к коллектору. Таким образом, на |
|
|
|||||||
поверхности |
мишени |
будет |
соз |
|
|
||||
дан |
(по |
отношению |
к коллекто |
|
|
||||
ру) |
потенциальный |
рельеф, соот |
|
|
|||||
ветствующий информации, подве |
|
|
|||||||
денной к катоду. |
запись может |
|
|
||||||
Равновесная |
|
|
|||||||
быть осуществлена и при энерги |
|
|
|||||||
ях первичных |
электронов, лежа |
Рис. 11.1. Зависимость |
потенциала |
||||||
щих |
в пределах |
|
t/KPi-7-f/icp2. В |
мишени от энергии |
падающих |
||||
этом |
случае |
записываемый |
сиг |
(первичных) электронов |
нал подводится к коллектору или сигнальной пластинке — металлической подложке мишени. При
развертке мишени немодулированным пучком потенциал элемен тов мишени доводится до равновесного значения, соответствую щего данной энергии первичных электронов, т. е. примерно до по тенциала анода прожектора. Однако заряд, накапливаемый эле ментами, будет различным а зависимости от величины входного сигнала, т. е. и в этом случае на поверхности мишени будет соз дан потенциальный рельеф по отношению к сигнальной пластинке.
Б и с т а б и л ь н а я (двузначная) з а п и с ь применяется тогда, когда записываемая информация может быть выражена в двоич ной системе, т. е. представлена в виде «О— 1», «да — нет», «чер ное— белое». При бистабильной записи потенциал мишени может иметь только два сильно отличающихся равновесных значения. На пример, можно произвести бистабильную запись, модулируя энергию
первичных электронов |
от e i< e f/Kpi А° |
e i> et/Kpi или от ei<eU uv2 |
до ei> et/Kp2. В первом |
случае первый |
равновесный потенциал ра |
вен нулю, второй близок к потенциалу анода прожектора; во вто ром случае первый равновесный потенциал близок к потенциалу анода, второй равен UKр2.
Бистабильная запись допускает два режима: «белое по черно му» и «черное по белому». При бистабильной записи в режиме «бе лое по черному» перед записью потенциал мишени приводится к более низкому равновесному значению (например, к нулю путем развертки мишени медленными электронами, а < 1). Запись произ водится более быстрыми электронами с энергией, превышающей £^Kpi(cr>l). При этом на черном нулевом фоне образуется белый положительный потенциальный рельеф. При записи в режиме «чер ное по белому», наоборот, перед записью потенциал мишени дово дится до более высокого (например, равного потенциалу анода или коллектора) равновесного значения. Запись производится медлен ными электронами (а < 1 ), снижающими потенциал элементов ми шени до низшего (нулевого) равновесного значения. При этом на белом положительном фоне создается черный отрицательный по тенциальный рельеф.
Несмотря на то, что бистабильная запись не позволяет записы вать информацию, содержащую градации серого (полутона), она применяется в трубках для счетных устройств, где распространена двоичная система. Преимуществом бистабильной записи является возможность простыми способами поддерживать (фиксировать) записанный сигнал (потенциальный рельеф). Это позволяет счи тывать записанную информацию принципиально неограниченное число раз. В реальных трубках длительность сохранения информа ции ограничивается неизбежными утечками заряда по поверхности мишени и компенсацией заряда рассеянными положительными ионами, что приводит к постепенному сглаживанию потенциально го рельефа.
Н е р а в н о в е с н а я з а п и с ь осуществляется путем смеще ния потенциалов элементов мишени от их равновесного значения, которое приобретается мишенью при подготовке к записи или сти рании. Обычно равновесное значение близко к потенциалу коллек тора. Перед записью на сигнальную пластинку подается напряже ние, значительно отличающееся от потенциала коллектора. При
записи модулированным пучком потенциалы элементов мишени |
|
смещаются от равновесного значения, в результате чего на поверх |
|
ности мишени появляется потенциальный рельеф. Неравновесная |
|
запись |
может быть осуществлена пучком с очень малым током. |
В этом случае заряд, приносимый электронными пучками, оказы |
|
вается |
недостаточным для доведения потенциала мишени до рав |
новесного значения и на мишени образуется потенциальный рельеф.
Неравновесная запись используется также в трубках с фоточувствительной мишенью [например, в ортиконе (см. § 12.5)]), где
смещение потенциала элементов |
происходит за счет ухода фото |
электронов с поверхности мишени. |
п р о в о д и м о с т ь ю основана |
З а п и с ь в о з б у ж д е н н о й |
на появлении электропроводности у тонких слоев (0,5— 1 мкм) ди электриков при облучении их быстрыми (e i« 1 0 кэв) электронами. Перед записью поверхность мишени доводится до равновесного
(например, равного потенциалу коллектора) потенциала. К сиг нальной пластинке подводится напряжение, существенно отличаю щееся от равновесного потенциала поверхности мишени. Запись производится пучком быстрых электронов, способных вызвать воз бужденную проводимость. В месте падения записывающего пучка за счет возбужденной проводимости потенциал мишени смещается в сторону потенциала сигнальной пластинки, в результате чего на поверхности мишени создается потенциальный рельеф.
Возбужденная проводимость может возникать под действием светового потока, падающего на мишень из полупроводника, обла дающего внутренним фотоэффектом. Такая мишень используется, например, в видиконах (см. § 12.8).
Сигналы, подлежащие записи («запоминаемая» информация), могут вводиться в потенциалоскоп путем модуляции напряжений на различных электродах трубки. В соответствии с этим различают следующие способы введения информации:
1)изменение тока записывающего пучка путем изменения на пряжения модулятора прожектора;
2)изменение скорости развертки пучка (частоты или амплиту ды развертывающих напряжений или токов);
3)изменение ускоряющего напряжения записывающего про жектора или изменение напряжения коллектора;
4)изменение напряжения сигнальной пластинки. Запись может производиться проектированием оптического изображения на фоточувствительную мишень. Этот способ записи применяется в те левизионных трубках (см. § 12.3).
При первом и втором способах потенциальный рельеф опреде ляется величиной заряда, приносимого записывающим пучком на мишень. При четвертом способе заряд мишени определяется чис
лом вторичных электронов, ушедших с мишени на коллектор. При третьем способе заряд мишени зависит или от числа отражен ных первичных электронов или от изменения коэффициента вто ричной эмиссии.
Считывание может осуществляться также несколькими спосо бами. В потенциалоскопах используется перезарядное считывание, считывание сеточным управлением и считывание перераспределе нием зарядов.
П ри п е р е з а р я д н о м с ч и т ы в а н и и происходит переза ряд элементарных конденсаторов, образуемых элементами поверх ности мишени и сигнальной пластинкой. При записи за счет созда ния потенциального рельефа элементарные конденсаторы заряжа ются в соответствии с величиной записываемого сигнала. При перезарядном считывании немодулированный считывающий пучок разряжает элементарные конденсаторы. При этом потенциалы всех элементов мишени смещаются в сторону равновесного значения.
Если ток считывающего пучка достаточен, чтобы довести по тенциал наиболее «глубокого» места потенциального рельефа до равновесного значения, то после одного считывания вся поверх ность мишени принимает равновесный потенциал, потенциальный
несфокусированным пучком электронов. Считывание сеточным уп равлением применяется также в потенциалоскопах, выходным сиг налом которых является видимое изображение на экране, покрытом люминофором. В этом случае потенциальный рельеф мишени мо дулирует пучок электронов, идущих на экран.
С ч и т ы в а н и е п е р е р а с п р е д е л е н и е м з а р я д о в по поверхности мишени, используемое в потенциалоскопах, не отлича ется от считывания, применяемого в иконоскопах (см. § 12.4).
Кроме операций записи и считывания в некоторых типах потенциалоскопов предусмотрена операция стирания (уничтожения) за писанной информации, необходимая для того, чтобы подготовить мишень к записи новой информации. Обычно стирание производит ся так, что потенциал всех элементов мишени независимо от имев шегося на них заряда доводится до одного из возможных равно весных значений.
§11.3. ПОТЕНЦИАЛОСКОПЫ, ПРЕОБРАЗУЮЩИЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ СИГНАЛ
ВЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ СИГНАЛ
Распространенной трубкой с накоплением, преобразующей элек трический сигнал в электрический сигнал, является потенциалоскоп с барьерной сеткой, называемой иногда вычитающей трубкой или (в иностранной литературе) радеконом. Потенциалоскопы с барь ерной сеткой применяются в радиолокационных индикаторных уст ройствах, в системах шрограммированного управления, для записи (запоминания) быстропротекающих процессов с последующим их воспроизведением.
Потенциалоскоп с барьерной сеткой имеет один электронный прожектор, создающий сфокусированный пучок быстрых (ei^ «1000 эв) электронов и диэлектрическую мишень на металличес кой подложке, являющейся сигнальной пластинкой. Коллектором обычно служит проводящее покрытие, нанесенное на внутреннюю поверхность колбы. Характерная особенность этого потенциалоскопа — наличие перед мишенью сетки о потенциалом на несколько сот вольт ниже потенциала коллектора. В этом случае вторичные электроны, выходящие с поверхности мишени, при наличии доста точной начальной скорости проникают сквозь сетку и, попадая в сильное ускоряющее поле, улавливаются коллектором. Медленные же электроны возвращаются к мишени практически в место выле та. Таким образом предотвращается перераспределение зарядов по поверхности мишени И вызываемое им сглаживание потенциально го рельефа.
Схематически устройство 1потенциалоскопа с барьерной сеткой показано на рис. 11.2-
В стеклянной цилиндрической колбе установлена мишень с барьерной сеткой. К°лба имеет горловину, в которой расположен электронный прожектор. Цилиндрическая часть колбы имеет про водящее покрытие, разделенное на несколько колец. Первое, бли жайшее к прожектору кольцо соединяется с анодом прожектора;
второе кольцо, являющееся коллектором, имеет потенциал на 400— 500 в выше потенциала анода. Следующее кольцо играет роль на правляющего цилиндра, создающего поле, направляющее вторич ные электроны на коллектор; потенциал его на 200— 250 в ниже потенциала коллектора. Наконец, последнее кольцо соединяется с сеткой и имеет потенциал от — 300 до — 400 в относительно кол лектора. В некоторых конструкциях коллектор и последний элек трод, соединенный с сеткой, изготовляются в виде коротких широ ких металлических цилиндров, а проводящее покрытие имеет толь-
ко две части — между |
прожектором |
и |
коллектором |
и |
между |
||||||
|
|
|
коллектором |
|
и |
цилинд |
|||||
|
|
|
ром сетки. |
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
Для записи и считыва |
|||||||
|
|
|
ния (а также стирания в |
||||||||
|
|
|
случае |
необходимости) |
|||||||
|
|
|
используется |
одинаковый |
|||||||
|
|
|
немодулированный элект |
||||||||
|
|
|
ронный |
пучок |
при |
уско |
|||||
|
|
|
ряющем |
напряжении |
|||||||
|
|
|
|
1000— 1500 в. |
Так |
|
как |
||||
Рис. 11.2. Потенциалоскоп с барьерной сет |
разрешающая |
|
способ |
||||||||
ность |
трубок |
|
с однород |
||||||||
|
кой: |
|
ной |
мишенью |
определя |
||||||
/ — электронный прожектор; 2 —коллектор; 3 — |
|||||||||||
сигнальная |
пластинка; 4 — мишень; 5 — сетка; |
ется |
в |
основном |
диамет |
||||||
6 — отклоняющая система |
ром |
записывающего |
и |
||||||||
|
|
|
считывающего |
пятна, |
фо |
||||||
кусировка должна быть достаточно хорошей. |
Прожектор |
может |
|||||||||
быть с электростатической или с магнитной |
фокусировкой. |
При |
|||||||||
небольших |
(12— 15°) углах отклонения, |
малом токе и сравнитель |
|||||||||
но высоком напряжении |
(1000— 1500 в) |
прожектор с |
электроста |
тической фокусировкой может обеспечить получение пятна на ми шени диаметром 0,1—0,15 мм. Такой размер пятна обеспечивает достаточно высокую разрешающую способность.
Отклонение луча может быть электростатическим или магнит ным. Так как углы отклонения невелики и требования к размерам пятна не очень жесткие, с успехом можно использовать более эко номичное электростатическое отклонение. В некоторых конструк циях потенциалоскопов мишенью служит тонкая стеклянная или слюдяная пластинка (толщиной 20— 25 мкм). На одну сторону ди электрической пластинки испарением в вакууме наносится метал лический слой, образующий сигнальную пластинку. В других кон струкциях, наоборот, основанием мишени является сравнительно толстая металлическая подложка (сигнальная пластинка). Ди электрик (например, фтористый магний) наносится на сигнальную пластинку испарением в вакууме. В качестве мишени может также использоваться окисленная алюминиевая пластинка.
Вблизи мишени устанавливается барьерная сетка. Так как в потенциалоскопах часто применяется строчная (телевизионная) раз вертка растра, сетка изготовляется в виде ряда параллельных про
волок по числу строк развертки. В этом случае можно так отрегу лировать отклоняющую систему, что электронный пучок будет проходить между проволоками сетки, практически не перехваты ваясь ими.
Перед записью поверхность мишени развертывается немодули-
рованным |
пучком. При этом, так как |
о> 1 (энергия первичных |
электронов |
1000— 1100 эв), поверхность |
мишени приобретает рав |
новесный потенциал, примерно равный потенциалу сетки. Потенциалоскопы с барьерной сеткой могут использоваться в
различных режимах записи. Наиболее распространены режимы равновесной и неравновесной записи. В режиме равновесной запи си входной сигнал подводится к проводящей подложке мишени — сигнальной пластинке. Выходная информация получается в цепи коллектора. При модуляции потенциала сигнальной пластинки входной информацией и одновременной развертке поверхности ми шени иемодулированным пучком потенциал всех элементов мишени будет доводиться до равновесного значения (равновесная запись), но заряд, необходимый для этого, будет различным в зависимости от мгновенной разности потенциалов между сигнальной пластинкой и поверхностью мишени. Таким образом, на поверхности мишени создается потенциальный рельеф (относительно сигнальной плас тинки).
Если прекратить подачу записываемых сигналов, но продол жать развертку, то считывающий пучок будет разряжать элемен тарные конденсаторы, доводя поверхность мишени снова до равно весного потенциала (перезарядное считывание). Так как при запи си заряд по поверхности мишени распределяется в соответствии с записываемой информацией, ток на мишень, а следовательно, и ток вторичных электронов, уходящих с мишени на коллектор, будет промодулирован записанным сигналом, и в цепи коллектора обра зуется выходной сигнал. Так как запись производится при подве дении сигнала к сигнальной пластинке, а выходной сигнал снима ется в цепи коллектора, полярность выходного сигнала оказывает ся обратной по отношению к полярности входного сигнала.
При каждой записи потенциал мишени доводится до равновес ного значения, и специальной операции стирания не требуется, т. е. новая запись автоматически стирает ранее записанную инфор мацию. В рассмотренном случае операции записи и считывания сдвинуты во времени, т. е. записанная информация может сохра няться на мишени в виде потенциального рельефа, а затем по мере надобности считываться.
Следует иметь в виду, что при записи ток коллектора изменя ется в соответствии с потенциалом сигнальной пластинки, так как число вторичных электронов, уходящих с мишени, определяется потенциалом развертываемого элемента, т. е. в процессе записи выходной ток (ток коллектора) оказывается промодулированным входным сигналом, причем полярность выходного сигнала в про цессе записи совпадает с полярностью входного сигнала. Эта осо бенность позволяет использовать потенциалоскоп с барьерной сет
кой как «вычитающую» трубку. Если непрерывно развертывать поверхность мишени электронным лучом и одновременно 'ПОдВо- дить входную информацию к сигнальной пластинке, то электрон ный луч, коммутируя элементы мишени, будет считывать сигнал, записанный на данном элементе в предыдущий цикл развертки, и записывать сигнал, поступающий на сигнальную пластинку в мо мент коммутации. Так как полярность выходного сигнала противо положна при записи и считывании, суммарный выходной сигнал, получающийся в этом случае в цепи коллектора, будет воспроизво дить разность величин сигналов двух последовательных циклов развертки.
При использовании потенциалоскопа в режиме неравновесной записи входной сигнал подводится к модулятору прожектора, из меняя ток луча. В зависимости от тока луча в режиме о> 1 будет изменяться число вторичных электронов, уходящих с мишени, т. е. на ее поверхности будет создаваться положительный потенциаль ный рельеф. Чем больше изменение тока луча, тем глубже потен циальный рельеф. При развертке мишени с записанной информа цией смодулированным лучом происходит разряд элементарных концентраторов, т. е. считывание и в этом режиме является пе
резарядным. Ток |
коллектора при |
этом будет |
промодулирован |
в соответствии с |
распределением |
потенциала |
по мишени, вы |
ходные сигналы воспроизведут записанную информацию. Вы ходной сигнал может быть получен также в цепи сигнальной пластинки.
В режиме неравновесной записи возможно суммирование (сло жение) нескольких сигналов. Если к модулятору подвести после довательно несколько сигналов и записать их на одной и той же линии развертки луча, то потенциальный рельеф будет определять ся совокупностью входных сигналов.
При считывании выходной ток воспроизведет сумму .всех Запи санных сигналов. Этот прием суммирования используется в радио локационных индикаторах для улучшения отношения сигнал/щум. В случае приема радиолокационного сигнала на фоне случайных помех полезные периодически повторяющиеся сигналы будут сум мироваться, и при п циклах записи глубина потенциального рель ефа на мишени в месте записи полезного сигнала возрастет при мерно в п раз. Хаотично же распределенные сигналы помех вызо вут изменение потенциального рельефа шумового фона лшць в
■уТГраз. Таким образом, при не очень малом числе циклов записи отношение сигнал/шум существенно возрастет.
Переход от одного стандарта разложения к другому необходим при ретрансляции телевизионных передач от передатчиков, рабо тающих с различным числом строк разложения, а также в случае преобразования радиолокационного изображения, получаемого на экране трубки кругового обзора с радиальной разверткой, в теле визионное (растровое) изображение. Для перехода от одного стан дарта разложения к другому используются потенциалоскопы, по лучившие название г р а ф е к о н.