книги / Электронная оптика и электроннолучевые приборы

Графекон — это потенциалоскоп с диэлектрической мишенью, с двумя электронными прожекторами (записывающим и считываю­ щим). Запись информации производится за счет возбужденной проводимости диэлектрика, считывание — перезарядное. Записыва­ ющий и считывающий прожекторы могут располагаться с одной стороны мишени. При этом записывающий прожектор располага­ ется <в горловине по оси трубки, а считывающий — во второй, на­ клонной к оси трубки горловине. В этом случае мишень является односторонней; она представляет собой тонкий слой диэлектрика, нанесенного на металлическую подложку — сигнальную пластин­ ку. Прожекторы могут быть расположены с разных сторон мише-

с п м к

Рис. 11.3. Графекон с двусторонней мишенью:

ЗП —записывающий прожектор; С — сетка; Л —сигналь­ ная пластинка; М — мишень; /( — коллектор; СП — счи­ тывающий прожектор

ни — в двух горловинах по оси трубки. При этом мишень делается двусторонней. На мелкоструктурную сетку наносится тонкий слой алюминия, прозрачный для быстрых электронов записывающего луча. Алюминиевая пленка является сигнальной пластинкой, на которую со стороны, противоположной сетке, напыляется диэлек­ трик, образующий мишень.

Устройство графекона с двусторонней мишенью схематически показано на рис. 11.3.

В середине широкой части трубки установлена мишень, в левой горловине записывающий, в правой — считывающий прожекторы. Объединить функции записи и считывания в этом потенциалоскопе принципиально нельзя, так как для записи и считывания использу­ ются электроны с существенно разными энергиями (~ 1 0 кэв и ~ 1 кэв). Точно так же ток записывающего пучка несколько боль­ ше, чем ток считывающего пучка. Возбужденная проводимость в основном определяется энергией электронов, в то же время для получения хорошего отношения выходной сигнал/шум необходимо, чтобы при считывании пучок заметно перезаряжал элементарные конденсаторы, образуемые элементами поверхности мишени и сиг­ нальной пластинкой. Так как в графеконе накапливаемый заряд может быть достаточно большим (глубина потенциального релье­ фа может достигать нескольких вольт), для эффективного переза­

ряда конденсаторов необходим не очень малый ток считывающего пучка.

Различие требований, предъявляемых к записывающему и счи­ тывающему пучкам, обусловливает конструктивные различия за­ писывающего и считывающего прожекторов. Принципиально в графеконах можно использовать прожекторы как с электростатичес­ кой, так и с магнитной фокусировкой. Так как требования к разре­ шающей способности обычно не бывают очень высокими и легко удовлетворяются при сравнительно большой (например, 4X6 см) поверхности мишени, чаще применяются прожекторы с электроста­ тической фокусировкой.

Для отклонения записывающего и считывающего лучей обычно используются магнитные катушки. В некоторых типах графеконов имеется электростатическое отклонение.

Значительная часть колбы (цилиндрическая часть и горлови­ на) с внутренней стороны имеет проводящее покрытие. Покрытие вблизи мишени служит коллектором вторичных электронов, ухо­ дящих с мишени. Обычно графекон работает с заземленным кол­ лектором. В этом случае потенциал катодов прожекторов равен со­ ответственно —К) и — 1 кв относительно земли.

Толщина слоя диэлектрика мишени определяется условиями получения возбужденной проводимости при не очень больших энер­ гиях электронов записывающего пучка. Максимальное значение возбужденная проводимость имеет тогда, когда глубина проникно­ вения электронов не меньше толщины слоя. Например, для боль­ шинства диэлектриков, применяемых в качестве мишеней потенциалоскопов (кварц, фтористый магний, фтористый кальций), глубина проникновения электронов при энергии 10 кэв оказывается менее 1 мкм. Поэтому оптимальной толщиной следует считать величину 0,5—0,8 мкм при энергии записывающего пучка 10— 12 кэв.

Интересно отметить, что максимально возможная величина на­ капливаемого на мишени заряда почти не зависит от толщины слоя. В самом деле, накапливаемый заряд q= CU (где С — емкость эле­ ментарного конденсатора, U— глубина потенциального рельефа) увеличивается пропорционально емкости и разности потенциалов поверхность мишени — сигнальная пластинка. С уменьшением тол­ щины диэлектрика емкость элементарных конденсаторов увеличи­ вается, но зато почти в такой же степени уменьшается электричес­ кая прочность, т. е. величина U. Следовательно, накопленный за­ ряд практически не меняется.

Время сохранения записанной на мишени информации и воз­ можное число считываний в значительной степени определяются сопротивлением диэлектрического слоя и качеством вакуума в трубке.

Работа графекона осуществляется следующим образом. В про­ цессе считывания или специальной подготовки мишени к записи поверхность мишени подвергается развертке немодулированным считывающим пучком. Так как энергия электронов считывающего пучка не превышает 1000 эв, эффект возбужденной проводимости

отсутствует. В то же время коэффициент вторичной эмиссии ока­ зывается больше единицы. Поэтому при развертке считывающим пучком потенциал мишени достигает равновесного значения, при­ мерно равного потенциалу коллектора.

При записи к сигнальной пластинке подводится отрицательное относительно коллектора напряжение (несколько десятков вольт). Записывающий пучок модулируется входным сигналом, подводи­ мым к модулятору записывающего прожектора. При развертке ми­ шени записывающим пучком быстрые электроны легко пронизы­ вают тонкую сигнальную пластинку и, проникая в слой диэлектри­ ка, вызывают возбужденную проводимость. За счет возбужденной проводимости в месте падения пучка на мишень потенциал ее по­ верхности понижается, т. е. приближается к потенциалу сигнальной пластинки. Так как возбужденная проводимость зависит от тока «возбуждающего» ее пучка, модуляция тока записывающего пучка приводит к различному изменению потенциала элементов мише­ ни. Большой ток записывающего пучка может привести к урав­ ниванию потенциалов поверхности мишени и сигнальной пла­ стинки.

Таким образом, при записи за счет возбужденной проводимости на поверхности мишени создается потенциальный рельеф. Макси­ мальная глубина потенциального рельефа может равняться разнос* ти потенциалов между сигнальной пластинкой и коллектором. Боль­ шая глубина потенциального рельефа позволяет производить мно­ гократное считывание. При отсутствии считывания информация, записанная на мишени графекона, может сохраняться в течение нескольких дней и даже десятков дней.

Считывание производится смодулированным считывающим пучком, который при развертке поверхности мишени разряжает элементарные конденсаторы, доводя потенциал поверхности мише­ ни до равновесного значения, равного потенциалу коллектора. При разряде элементарных конденсаторов в цепи сигнальной пластин­ ки протекают емкостные токи. Выходной сигнал получается в цепи сигнальной пластинки. Благодаря большой глубине потенциально­ го рельефа считывающий луч разряжает элементарные конденса­ торы постепенно. Поэтому выходной сигнал с удовлетворительным отношением сигнал/шум может существовать при многократном считывании однократно записанной информации.

Так как при считывании потенциальный рельеф постепенно сгла­ живается, специальной операции стирания обычно не требуется. В случае необходимости быстро стереть записанную информацию поверхность мишени развертывается интенсивным считывающим пучком. Окончание стирания определяется полным отсутствием мо­ дуляции выходного сигнала.

Графекон может использоваться в режиме поочередной записи и считывания, но принципиально возможно производить считыва­ ние одновременно с записью. При этом следует принять меры для предотвращения появления на выходе паразитных сигналов, обус­ ловленных модуляцией тока записывающего луча. Одновременные

Электронный прожектор потенциалоскопа должен создавать хорошо сфокусированный -пучок, так как луч должен проходить сквозь отверстия сетки-мишени. В то же время сетка-мишень долж­ на быть достаточно мелкоструктурной, чтобы обеспечить высокую разрешающую способность. Повышение разрешающей способности за счет увеличения размеров мишени затруднительно, так как чем больше мишень, тем сильнее отличаются углы падения электронов от 90° (при не очень большой длине трубки). Кроме того, изготов­ ление сетчатой мишени больших размеров, обладающей необходи­ мой механической прочностью, встречает технологические труд­ ности.

Так как расфокусировка пучка при отклонении нежелательна, отклонение луча в этой трубке обычно осуществляется магнитными

полями. Отклоняющая система
состоит из двух пар катушек,
часто снабженных стальными
сердечниками, с	параллельно
складывающимися		магнитны­
ми потоками.
Прозрачный	для	электро­	Рис. 11.5. Устройство сетки-мишени:
нов потенциалоноситель — ми­			1 — диэлектрик; 2 — алюминиевая планка;
шень представляет собой мел­			3 — основание мишени
коструктурную	сетку, покры­

тую со стороны противоположной прожектору, тонким слоем ди­ электрика. Электроны пучка не должны попадать на диэлектрик при движении от прожектора к мишени. Устройство сетки-мишени схематически представлено на рис. 11.5.

Потенциал сетки при работе трубки всегда существенно ниже потенциала анода прожектора, поэтому электроны при подходе к мишени тормозятся. Чтобы уменьшить расфокусировку пучка при торможении, желательно производить торможение в непосредст­ венной близости к сетке, т. е. по возможности уменьшать длину траекторий медленных электронов. Для этой цели в непосредствен­ ной близости к мишени (со стороны прожектора) устанавливается специальная экранирующая сетка, имеющая потенциал, равный потенциалу анода прожектора (проводящего покрытия).

За мишенью устанавливается плоский металлический элект­ род— коллектор-рефлектор, играющий роль электронного зеркала. Обычно все три электрода — экранирующая сетка, мишень и кол­ лектор-рефлектор— собираются в общем достаточно жестком ме­ таллическом кольце, которое затем монтируется в трубке.

В рассматриваемой трубке для записи, считывания и стирания используется один электронный прожектор. Переход от одного ре­ жима к другому производится путем изменения напряжений на сет­ ке-мишени и на коллекторе-рефлекторе.

При подготовке к записи (или при стирании ранее записанной информации) потенциал сетки-мишени устанавливается ниже по­ тенциала экранирующей сетки. Потенциал коллектора-рефлектора устанавливается ниже потенциала катода прожектора. В таком ре­

жиме электроны сильно тормозятся в пространстве экранирующая сетка — мишень и, пройдя с небольшой скоростью сквозь отверстия сетки мишени, отражаются электронным зеркалом (нулевой экви­ потенциальной поверхностью), образующимся между мишецью и коллектором-рефлектором. Отраженные электроны попадают ца ди. электрическое покрытие мишени и заряжают его до равновесного значения потенциала. Так как при небольшой энергии отраженных электронов коэффициент вторичной эмиссии мишени меньше еди­ ницы, поверхность мишени заряжается отрицательно и равновес­ ное значение потенциала равно нулю (относительно катода прожек­ тора). Таким образом, подготовленный к записи потенциалоноситель имеет равновесный нулевой потенциал.

Запись производится электронным пучком, промодулированным входным сигналом. При записи потенциал коллектора-рефлектора остается отрицательным, а потенциал сетки-мишени повышается в такой мере, чтобы отраженные электроны достигали поверхности диэлектрика с энергией, обеспечивающей величину а>1. Вследст­ вие небольшого расстояния между мишенью и коллектором-рефлек­ тором и падения электронов на сетку мишени под углами, близки­ ми к 90°, отраженные электроны попадают на диэлектрик в непо­ средственной близости от места падения пучка на сетку. Это обеспечивает получение достаточно высокой разрешающей способ­ ности.

Вторичные электроны, выбиваемые из диэлектрика при записи, улавливаются сеткой мишени, играющей при записи роль коллек­ тора вторичных электронов. Таким образом, при записи на нулевом равновесном фоне создается положительный потенциальный рель­ еф. Так как потенциал сетки мишени значительно отличается (на 300—500 в) от равновесного значения, глубина потенциального рельефа может быть достаточно большой (несколько десятков вольт). Поскольку запись осуществляется модулированным пуч­ ком, потенциальный рельеф содержит полутона, т. е. могут быть записаны градации серого.

Записанный сигнал удерживается значительное время, так как сглаживание потенциального рельефа происходит только за счет утечки и разрядки ионами, и при хорошем диэлектрике и высоком вакууме может быть незначительным.

Считывание производится разверткой поверхности мишени немодулированным пучком. При этом потенциал сетки мишени уста­ навливается в пределах 40—60 в, а потенциал коллектора-рефлек­ тора 200—240 в. Мишень действует как управляющая сетка элек­ тронной лампы (считывание сеточным управлением). Роль анода электронной лампы при считывании играет коллектор-рефлектор, ток в цепи которого изменяется в зависимости от потенциала сет­ ки. Таким образом, ток коллектора-рефлектора будет промодулирован записанным сигналом, т. е. в цепи коллектора-рефлектора возникнет выходной сигнал.

Так как при считывании электроны немодулированного пучка не попадают на диэлектрик, этот процесс не приводит к сглажива­

нию потенциального рельефа. Поэтому принципиально считывание может производиться в течение весьма длительного времени. Экс­ плуатация таких трубок показывает, что неискаженный выходной сигнал (с хорошим отношением сигнал/шум) может быть получен после 20— 30 тыс. непрерывных считываний (под одним считыва­ нием понимается один период кадровой развертки).

В потенциалоскопе с коллектором-рефлектором возможны толь­ ко поочередные запись, считывание и стирание, так как при пере­ ходе от одной операции к другой необходимо изменять напряже­ ния сетки-мишени и коллектора-рефлектора, т. е. операции запи­ си, считывания и стирания не могут быть совмещены во времени.

Рассмотренные потенциалоскопы позволяют запоминать и вос­ производить информацию, содержащую градации величины сигна­ ла, т. е. они относятся к так называемым полутоновым трубкам. Получение полутонов или градаций серого объясняется возмож­ ностью создавать на мишени потенциальный рельеф различной глубины, соответствующей распределению амплитуд записываемо­ го сигнала. В отличие от этих потенциалоскопов трубки памяти, применяемые в счетно-решающих устройствах, обычно работают в бистабильном режиме, т. е. потенциал мишени может иметь толь­ ко два сильно отличающихся значения. Подобный режим работы очень удобен, поскольку в счетно-решающей технике в большинст­ ве случаев используется двоичная система и для записи информа­ ции достаточно двух значений потенциала мишени, соответствую­ щих нулю (черному) и единице (белому).

Для счетно-решающих устройств может быть использован потенциалоскоп с барьерной сеткой. Однако перезарядное считыва­ ние в этой трубке не позволяет воспроизводить накопленную ин­ формацию большое число раз, что часто бывает необходимо при выполнении математических операций. Поэтому для счетно-реша­ ющих устройств разработаны специальные трубки с «поддержива­ ющим» пучком, восстанавливающим потенциальный рельеф после каждого цикла считывания. При наличии такого «поддержания» потенциального рельефа число считываний принципиально не ог­ раничено.

Схематически устройство потенциалоскопа с поддерживающим пучком показано на рис. 11.6. Цилиндрическая колба имеет две горловины: одна расположена по оси трубки, другая — под углом 25—30° относительно оси. Цилиндрическая часть имеет кольцевое проводящее покрытие 3, соединенное с сеткой-коллектором 5; гор­ ловины имеют проводящие покрытия, соединенные с анодами про­ жекторов. Трубка работает с заземленным коллектором, в соответ­ ствии с чем все три части проводящего покрытия соединяются вместе и заземляются.

Запись и считывание производятся электронным пучком про­ жектора /, расположенного в наклонной горловине. «Поддержива­ ющий» пучок создается прожектором 2, расположенным на оси трубки в «прямой» горловине. В целях создания глубокого потен­ циального рельефа при записи, что необходимо для четкого дейст-

17—3266

477

6

Рис. 11.6. Устройство потен­ циалоскопа с «поддерживаю­ щим» пучком

вия «поддерживающего» пучка, ток пучка записывающего прожек­ тора должен быть достаточно большим (в несколько раз превы­ шать ток «поддерживающего» пучка). При сравнительно большом токе для получения хорошей фокусировки желательно иметь срав­ нительно высокое ускоряющее напряжение (2,5—3 кв).

В потенциалоскопе с поддерживающим пучком обычно исполь­ зуется электростатическая отклоняющая система 6 для записыва­ ющего (и считывающего) пучков как более простая и экономич­ ная. Недостаточная линейность от­

*клоняющей системы и возможное искажение растра при наклонном падении пучка не вызывают иска­ жения выходного сигнала, так как запись и считывание производятся одним и тем же пучком, отклоняе­ мым одной отклоняющей системой, питающейся от одного генератора развертки.

Мишень 4 потенциалоскопа пред­

ставляет собой тонкий слой диэлек­ трика, нанесенного на металличес­ кую сигнальную пластинку. Перед мишенью располагается прозрач­ ный (в виде сетки) коллектор элек­ тронов.

«Поддерживающий» пучок должен иметь энергию электронов, равную eUKV\ для данного материала мишени. Принципиально «поддержку» можно производить сфокусированным пучком, раз­ вертываемым по поверхности мишени. Но тот же эффект может быть достигнут и при непрерывном облучении поверхности мише­ ни рассеянным пучком медленных электронов. Так как при этом конструкция прожектора получается проще и отпадает надобность в отклоняющей системе, для «поддержки» используется неподвиж­ ный расфокусированный пучок, охватывающий всю поверхность мишени. В соответствии с этим «поддерживающий» прожектор строится по простой триодной схеме (катод — модулятор — анод) и представляет с оптической точки зрения иммерсионный объектив. Потенциал анода «поддерживающего» прожектора устанавливает­ ся равным нулю, потенциал катода близок к — UKРь потенциал мо­ дулятора подбирается соответственно величине тока, необходимого для надежного фиксирования потенциального рельефа.

Запись (бистабильная) в потенциалоскопе с «поддерживаю­ щим» пучком может быть либо положительной («белое по черно­ му»), либо отрицательной («черное по белому»). Перед записью в зависимости от энергии электронов фиксирующего пучка потенци­ ал мишени устанавливается равным одному из возможных равно­ весных значений. При положительной записи подготовка мишени к записи (стирание) заключается в том, чтобы энергию электронов фиксирующего пучка сделать несколько меньше eUKPi. При этом

а < 1, и поверхность мишени приобретает равновесный потенциал, равный потенциалу катода «поддерживающего» прожектора. При отрицательной записи подготовка мишени состоит в приведении ее потенциала к нулю — потенциалу коллектора (стирание при а > 1 ).

Записываемый сигнал подводится к модулятору нормально за­ крытого записывающего прожектора в виде отпирающего импуль­ са. Одновременно на сигнальную пластинку подается напряжение (относительно коллектора) 100 в, отрицательное при положитель­ ной записи или положительное при отрицательной записи.

Электроны записывающего пучка имеют энергию 2—2,5 кэв, что в любом случае обеспечивает о> 1 . Таким образом, при нахож­ дении записывающего пучка на данном элементе мишени потенци­ ал его доводится до равновесного значения, примерно равного по­ тенциалу коллектора. Однако по прекращению записи потенциал элемента за счет накопленного в элементарном конденсаторе за­ ряда изменяется, становясь выше потенциала коллектора при по­ ложительной записи. При этом глубина потенциального рельефа достигает нескольких десятков вольт.

Считывание производится немодулированным пучком, разря­ жающим элементарные конденсаторы (перезарядное считывание). При разряде элементарных конденсаторов в цепи сигнальной плас­ тинки проходит импульс емкостного тока, образующий выходной сигнал. Вследствие большой глубины потенциального рельефа каждый акт считывания не приводит к полному разряду элементар­ ного конденсатора, т. е. потенциальный рельеф сохраняется. Так как «поддерживающий» пучок облучает поверхность мишени не­ прерывно, уменьшающийся потенциальный рельеф все время дово­ дится до первоначальной глубины. Это происходит потому, что между сеткой-коллектором и мишенью \в зависимости от знака на­ копленного заряда существует тормозящее или ускоряющее поле. Так как ускоряющее напряжение фиксирующего прожектора при­ мерно равно первому критическому потенциалу, в случае тормозя­ щего поля электроны «поддерживающего» пучка, подходя к мише­ ни, замедляются и коэффициент вторичной эмиссии становится меньше единицы. При этом потенциал элементов с понизившимся при записи потенциалом доводится до равновесного значения, рав­ ного потенциалу катода «поддерживающего» прожектора. При на­ личии ускоряющего поля (положительная запись) электроны «под­ держивающего» пучка, подходя к мишени, дополнительно ускоря­ ются, что обеспечивает получение а>1. При этом потенциал элементов мишени, на которых произведена запись, доводится до равновесного значения, равного потенциалу сетки-коллектора. Та­ ким образом, несмотря на считывание, разрушающее потенциаль­ ный рельеф, он непрерывно восстанавливается и сохраняет преж­ нюю глубину, определяемую разностью равновесных значений по­ тенциала при а<1 и а>1 (потенциал катода фиксирующего прожектора и потенциал сетки-коллектора).

Число считываний принципиально неограничено. Практически оно определяется поверхностным сопротивлением слоя диэлектри­

ка и степенью вакуума (наличием ионов). Хорошо изготовленная трубка допускает несколько миллионов считываний без существен­ ного искажения выходного сигнала. Как в любой системе с биста­ бильной записью, воспроизведение полутонов в этой трубке невоз­ можно. Точно так же, поскольку запись и считывание выполняются одним прожектором, эти операции могут выполняться только по­ очередно. В литературе описаны трубки, работающие по рассмот­ ренной схеме, но имеющие три прожектора (записывающий, счи­ тывающий и «поддерживающий»), что позволяет производить за­ пись и считывание одновременно. В потенциалоскопах с бистабильной записью могут использоваться мозаичные мишени, позволяющие существенно увеличить глубину потенциального рельефа. Мишень такого потенциалоскопа, кроме сигнальной плас­ тинки и слоя диэлектрика, имеет мозаику, состоящую из проводя­ щих частиц, изолированных друг от друга и расположенных на по­ верхности диэлектрика. Мозаичная мишень при большой глубине потенциального рельефа имеет некоторые преимущества. При би­ стабильной записи и большой глубине потенциального рельефа разность потенциалов между соседними элементами мишени может достигать 100 в и выше. Большие поверхностные градиенты по­ тенциала могут вызвать смещение зарядов по поверхности одно­ родного диэлектрика, что приводит к появлению ложных сигналов. При наличии проводящей мозаики потенциал каждой мозаичной частицы уравнивается за счет ее проводимости. В этом случае токи утечки через потенциальные границы между частицами мозаики, имеющими разный потенциал, могут компенсироваться увеличе­ нием или уменьшением заряда всей поверхности мозаичной части­ цы за счет вторичной эмиссии, вызываемой «поддерживающим» пучком. Мозаичная мишень представляет собой пластинку одно­ родной слюды. С одной стороны слюда покрыта слоем серебра, об­ разующим сигнальную пластинку; на другую сторону слюды нане­ сена мозаика, состоящая из отдельных (изолированных друг от друга) частиц бериллия. Применение бериллия объясняется срав­ нительно низким (около 50—60 в) и стабильным значением перво­ го критического потенциала, что имеет существенное значение для «поддержки» потенциального рельефа фиксирующим электронным пучком. В остальном устройство и принцип действия, потенциало­ скопа с мозаичной мишенью не отличаются от описанного выше.

§11.4. П0ТЕНЦИАЛ0СК0ПЫ, ПРЕОБРАЗУЮЩИЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ СИГНАЛ

ВВИДИМОЕ ИЗОБРАЖЕНИЕ

Внекоторых случаях применения потенциалоскопов (например, при осциллографировании однократных процессов, в радиолокаци­ онной технике) бывает необходимо получить .выходную информа­ цию не только как последовательность электрических сигналов, но

икак видимое изображение на экране. Распространены также потенциалоскопы, выходной информацией которых является только