книги / Проектирование электронно-лучевых приборов

утечек по напылению. На одной стороне изолятора выполнены три равновысоких выступа 2. Изолятор армирован двумя пистонами 5, -к которым крепятся концы подогревателя 6. Гильза катода 1 закреплена в держателе 4 таким образом, чтоее торец установлен на заданном расстоянии 5 относительно плоскости, прохо­ дящей через вершины выступов изолятора. Таким образом, эта группа КПУ поставляется с заданным расстоянием катод — модулятор и не требует его уста­ новки при сборке арматуры ЭОС.

Аналогичную конструкцию имеет узел КПУ-57 (рис. 1.6,г), .предназначенный для цветных кинескопов с планарным расположением пушек. Отличие заклю­ чается в конфигурации несущего изолятора, имеющего в плане форму прямо­ угольника.

Поскольку такие важные параметры приборов, как токовые характеристики, запирающее напряжение и модуляция, в зна­

чительной мере	зависят от	расстояния		катод — модулятор, а в
производстве в	большинстве	случаев	корректировка		запирающе­
го напряжения	производится	только	по	расстоянию	катод — мо­

дулятор, в проектировании ЭОС необходимо учитывать тепло­ вую деформацию катода. В гл. 3 будет показано, что как основ­ ные инженерные методы расчета характеристик электронной пушки, так и численные исследования исходят из соотношенийразмеров в рабочем режиме, т. е. при горячем катоде, тогда как. расстояние катод — модулятор в конструкторской документация задается в холодном состоянии.

Величина деформации катода, полученная расчетом по коэф­ фициентам термического расширения, не дает реального измене­ ния размера от холодного до горячего состояния. Исследования деформации катода, проведенные на разных типах КПУ и с мо­ дуляторами разной конструкции, показали, что фактически имеют место флуктуации удлинения катода, связанные с некоторой неоднородностью теплоотвода от образца к образцу, разбросом температуры катода и рядом других неучитываемых факторов. Удлинение катода в некоторых типах КПУ достигает 75 мкм* что составляет весьма существенную величину для расчета па­ раметров пушки. В табл. 1.5 приведены среднестатистические величины удлинения некоторых типов катодов относительно базы от комнатной температуры до рабочего режима, соответствую­ щего номинальному напряжению накала.

Конструкция катодного или катодно-подогревательного узла

тесно связана	с конструкцией		электронной		пушки,	способом
Т а б л и ц а 1.5
Тип КПУ	КПУ-1	КПУ-6	КПУ-9 КПУ-13		КПУ-18 КПУ-50
Удлинение,	45	34	17	40	63	40
мкм

[установки расстояния катод — модулятор и	технологией сборки
арматуры. Принятая в последние годы типизация		и	унифика­
ция катодных и катодно-подогревательных	узлов	в	сочетании

с централизацией их производства определяет существенное влия­ ние конструкции катода на конструкцию и технологию сборки арматуры. Уровень унификации КПУ и ее дальнейшее совер­ шенствование, .проведение разработок катодов и узлов, в свою

ючередь,	способствуют		унификации	конструктивных		элементов
ЭОС и технологических приемов сборки и контроля.						экранный
Экранный узел.		Для	большинства	приемных	ЭЛП
.узел — это	совокупность		подложки (фронтального		стекла балло­
на), слоя люминофора и металлического покрытия.
Физика явления ка.тодолюдшнесценции, т. е. «холодного» свечения твердых
неорганических веществ		под воздействием электронного пучка, широко освещена

в литературе, в том числе в [12] — с точки зрения применения в ЭЛП. Несмотря на исследования в области создания новых люминофоров, характерной для про­ ектирования ЭЛП .является ситуация выбора одного из имеющихся типовых

.люминофорных составов. При этом обычно учитываются следующие характери­ стики люминофоров: цвет (цветовые координаты свечения), максимум спектра '.излучения; длительность послесвечения; световая отдача; потенциал загорания. 'Необходимо отметить, что современные люминофоры обладают широким диапа­ зоном этих характеристик; они покрывают весь видимый спектр излучения и •ближний ультрафиолет, длительность послесвечения -может иметь значения от 10~7 до нескольких секунд, -минимальный потенциал загорания может достигать

нескольких вольт [12].

Приближенная модель формирования и распространения светового потока в люминофорах рассмотрена в § 3.4.

Для просвечивающих и фоторегистрирующих ЭЛП стремле­ ние повысить разрешающую способность систем обработки ин-

.формации приводит к использованию в экранных узлах нетра­ диционных элементов: волоконно-оптических экранов и моно-

.кристаллов. Волоконно-оптические экраны применяются с целью исключения фотографической оптики при контактном воспроиз-

.ведении изображения на фотоматериалах. Оптические свойства

.волоконных элементов могут при необходимости учитываться

.при проектировании ЭЛП. Применение монокристаллов в ка­ честве экранных узлов ЭЛП имеет относительно небольшую историю [5] и обещает в перспективе уменьшение размеров светящегося .пятна, а также работу при уменьшенных скоростях развертки (вплоть до режима неподвижного пятна), что свя­ зано с высокой теплопроводностью используемых кристаллов.

.При этом основной ситуацией также является выбор монокри­ сталла, удовлетворяющего по своим свойствам области назна­ чения проектируемого прибора. Как правило, физические свой­ ства доступных монокристаллов достаточно хорошо изучены и паспортизованы.

1.3. ТИПОВЫЕ ФУНКЦИОНАЛЬНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ ПРИЕМНЫХ ЭЛП

Электронная пушка. Наиболее простой и распространенной конструкцией является триодная пушка (рис. 1.7,а), включающая оксидный катод /, модулятор 2 и анод 3. Объект, формируемый такой пушкой, расположен, как правило, вблизи от плоскости модулятора, а его размеры определяются, с одной стороны, наи­ более вероятной энергией вылета термоэлектронов и величиной анодного потенциала, с другой — положением 'модулятора отно­ сительно катода и размером его рабочего отверстия. Угол рас­ хождения пучка и размер объекта могут быть уменьшены с помощью вырезывающей диафрагмы 4, которая обычно распо­ лагается в эквипотенциальном пространстве анода, однако при этом уменьшается ток луча. Достоинством триодной пушки яв­

ляется прежде всего	простота, хотя возможности	оптимизации
ее принципиальной схемы ограничены.		дополнитель­
Пушка тетродного	типа отличается наличием

ного электрода 5 (см. рис. 1.7,6), что позволяет осуществлять подфокусировку электронного пучка и тем самым изменять по­ ложение и размеры объекта при заданном режиме модуляции. При этом может быть достигнуто такое положение объекта, когда он находится за плоскостью катода, что создает благоприятные условия для работы фокусирующей линзы (см. § 3.3). Одним из возможных режимов работы тетродиой пушки является фор­ мирование второго кроссовера, размер которого в меньшей сте­ пени зависит от разброса тепловых скоростей термоэлектронов ввиду их фильтрации, осуществляемой к моменту формирования объекта.

Дальнейшее усложнение конструкции пушки (увеличение чис­ ла электродов до пяти и более) (рис. 1.7,б) имеет, как правило, целью уменьшение размеров объекта и уменьшение угла раство­ ра сформированного пучка при относительно высоком токопропускании. Часто эта задача решается путем формирования двух или более кроссоверов. При этом фактически образуется слож­ ная ЭОС, состоящая из триодной пушки и системы линз, раз­ делить которые на отдельные элементы невозможно, поскольку между ними нет областей с постоянным потенциалом, где тра-

зп Гг

во е !

ю

Рис. 1.7. Электронные пушки:

а — триодная; б — тетродная; в—пентодная

ектории электронов превращаются в прямые линии. Такие си­ стемы находят применение главным образом в просвечивающих и фоторегистрирующих ЭЛП.

Электронная линза. Наряду с электронной пушкой электрон­ ная линза является необходимым элементом любого ЭЛП. Основ­ ное назначение электронной линзы — перенести на экран при­ бора изображение объекта, сформированного пушкой. Наиболь­ шее распространение в практике проектирования приемных ЭЛП имеют электростатические линзы.

В относительно небольшой подгруппе просвечивающих и фо­ торегистрирующих приборов, где в числе других важнейшим яв­ ляется требование минимального размера электронного пятна в пределах всей рабочей части, наряду с электростатической фо­ кусировкой (или в комбинации с ней) применяются магнитные линзы. Это объясняется прежде всего тем, что магнитные линзы обеспечивают высокую разрешающую способность при значи­ тельно больших токах пучка (более 1000 мкА), чем системы электростатической фокусировки. Системы магнитной фокуси­ ровки обычно применяются совместно с корректирующими ка­ тушками и стигматорами, используемыми для юстировки и кор­ ректировки аберраций ЭОС каждой конкретной трубки. В при­ емных ЭЛП применяются так называемые короткие магнитные линзы, имеющие малую протяженность поля вдоль оси.

Ограничения на применение магнитной фокусировки связаны с необходимостью использования в аппаратуре мощных источ­ ников питания и увеличения объема, занимаемого ЭЛП в аппа­ ратуре за счет монтируемых на горловине прибора сложных внешних устройств, и необходимостью их точной юстировки.

Кроме упомянутых случаев, где применение магнитной фо­ кусировки обосновано стремлением получить возможно большую разрешающую способность, электростатическая фокусировка об­ ладает неоспоримыми преимуществами, а в ЭЛП с электроста­ тическим отклонением луча 'применение магнитной фокусировки нецелесообразно. Электростатические линзы практически не по­ требляют энергии, просты в изготовлении, обеспечивают вос­ произведение требуемого распределения поля. Электростатиче­ ские линзы монтируются в составе ЭОС в горловине прибора, не увеличивая его размеров, что имеет решающее значение при проектировании ЭЛП, предназначенных для портативной пере­ носной аппаратуры.

На рис. 1.8 приведена классификация электронных линз, по­ строенная на основании данных [13]. В приемных .ЭЛП наи­ более часто применяются осесимметричные линзы, базовые прин­ ципиальные схемы конструкций которых приведены на рис. 1.9. Различаются два вида осесимметричных линз:

одиночные (рис. 1.9,а—в), которые не изменяют энергии пуч­ ка при фокусировке;

Рис. 1.8. Классификация электронных линз

иммерсионные (рис. 1.9,г—е), которые изменяют энергию пучка и поэтому могут совмещать исполнение двух функций — фокусировки и ускорения пучка.

Оба указанных вида линз могут быть реализованы с по­ мощью проводящих поверхностей двух основных типов:

цилиндрических (рис. 1.9,а,г), преимуществом которых яв­ ляется экранировка поля линзы от влияния внешних полей;

плоских диафрагм с отверстиями (рис. 1.9,б,д), позволяющих строить линзы минимальной длины.

Возможны также различные комбинации этих типов поверх­ ностей (рис. 1.9,в,е).

Влияние электронной линзы на разрешающую способность ЭЛП определяется двумя факторами: линейным увеличением размеров объекта, сформированного пушкой, и ошибками изо­ бражения (аберрациями) самой линзы, величина которых за­ висит от угла раствора пучка на входе в линзу, режима работы и конструкции линзы. На качество изображения может влиять также неточность изготовления электродов и сборки линзы (эллиптичность отверстий, несоосность электродов и др.). Су­ щественно влияют паразитные поля, обусловленные внешними источниками и наведенные накопленными зарядами на внут­ ренней поверхности баллона прибора и на несущих изоляторах.

Одиночные линзы могут использоваться в двух режимах ра-

а )

6 )

6 )

	г)	д)
Рис. 1.9. Схемы осесимметричных линз
боты — потенциал	на среднем	электроде И2 больше		потенциала
области объекта	и изображения 1!\ (см. рис.		1.9) или	потенциал
V2 меньше II\. Достоинством		первого режима	являются сравни­

тельно малые аберрации линзы, однако второй режим исполь­ зуется чаще, так как сечение пучка в линзе меньше и лучше выполняются условия параксиальности. Оптическая сила линзы

растет с уменьшением И2 до			тех пор, пока линза не начинает
работать	как	электронное	зеркало.	Результаты	исследования
одиночных	линз показывают,		что оптические		свойства линз,
образованных		цилиндрами (рис. 1.9,а), существенно				зависят от
расстояния между торцами			крайних	электродов	и	не зависят

от величины перекрытия между средним и крайними электро­ дами. При фиксированной оптической силе линзы сферическая аберрация уменьшается с ростом расстояния между крайними

электродами,	причем, если это расстояние превышает удвоен­
ный диаметр	отверстия электродов, линза может рассматривать­

ся как две отдельные иммерсионные линзы, поскольку посере­ дине появляется эквипотенциальное пространство.

Для одиночных линз, образованных диафрагмами (рис. 1.9,6), оптические свойства определяются толщиной среднего электро­ да, диаметрами отверстий и расстояниями между электродами. Результаты оптимизации конструкции асимметричной одиночной линзы, образованной комбинацией диафрагм и цилиндров, опи­

саны в [13].

Для иммерсионных линз их сила и величина аберраций за­ висят от зазора между электродами и* отношения диаметров электродов (см. рис. 1.9,г—е) — с ростом зазора уменьшаются

аберрации и оптическая сила линзы; то же происходит при уве­ личении отношения диаметров электродов, причем характери­ стики линзы улучшаются, когда электрод меньшего диаметра на­ ходится под большим потенциалом (что к сожалению, редко осуществимо в ЭЛП).

Существенным свойством всех типов осесимметричных линз является то, что они обладают только собирающими свойствами, а сферическая аберрация таких линз никогда не обращается

внуль и всегда имеет один знак.

Вотличие от осесимметричных линз астигматичные системы имеют две плоскости симметрии, причем в одной из плоскостей они обладают рассеивающими свойствами. Эта способность по­ зволяет использовать астигматичные линзы для усиления откло­ нения предварительно отклоненного пучка в осциллографических ЭЛП и других типах приборов с электростатическим отклоне­ нием. В таких приборах астигматичные линзы размещают непо­ средственно за отклоняющими системами и ориентируют их та­ ким образом, чтобы плоскость симметрии с рассеивающими свой­ ствами совпадала с плоскостью отклонения. Увеличивая угол отклонения пучка, линза одновременно делает осесимметричный пучок астигматичным, и для сохранения условий фокусировки электронного пятна на экране этот астигматизм необходимо ком­ пенсировать.

Получение стигматичного изображения	возможно при	усло­
вии совместного использования нескольких	астигматичных	линз,

у которых рассеивающие плоскости повернуты на 90°. Простей­ шая система, состоящая из двух линз, дублет, дает стигматичное изображение, но при смещении изображаемого предмета усло­ вия фокусировки нарушаются и изображение пятна искажается. Более гибкой является система из трех линз, триплет, допу­ скающая некоторое смещение предмета при сохранении стигма­ тичного изображения. Система из четырех линз, квадруплет, имеет еще больше степеней свободы и фактически может при­ меняться аналогично осесимметричной линзе.

Принципиальные схемы конструкции астигматичных линз при­ ведены на рис. 1.10. Квадрупольные линзы (рис. 1.10,а) обра­ зуются электродами, протяженными вдоль оси ЭОС. Подавая на электроды одинаковые по величине и чередующиеся по знаку потенциалы, можно получить в пространстве, ограниченном элек­ тродами, распределение поля, обладающее двумя плоскостями симметрии и двумя — антисимметрии. Классическая квадрупольная линза формируется вогнутыми к оси электродами, образую­ щие которых представляют собой дуги гиперболы. Применяются также электроды с образующими в виде вогнутых и выпуклых (рис. 1.10,6) дуг окружности или отрезков прямых (рис. 1.10,в).

Одной из проблем, возникающих при использовании много­ линзовых систем, является ухудшение качества изображения,

Рис. 1.10. Схемы астигматиччых линз

вызванное совокупным влиянием аберраций, присущих каждой из линз. Известно, что для квадрупольных линз, как и для осесимметричных, сферическая аберрация имеет постоянный знак и в нуль не обращается. Однако октупольные линзы, обладаю­ щие четырьмя плоскостями симметрии, позволяют компенсиро­ вать аберрации квадрупольных линз, поскольку могут иметь сфе­ рическую аберрацию противоположного знака. На рис. 1.10,г приведена принципиальная схема октупольной линзы, аналогич­ ной «классической» квадрупольной (рис. 1.10,а), сходные свой­ ства имеет пятиэлектродная линза (рис. 1.10,д), которая более проста в изготовлении.

Исчерпывающее изложение теории квадрупольных линз и систем, составлен­ ных из них, можно найти в [14]. Квадрупольные линзы находят .применение в осциллографических ЭЛП, однако при этом некоторые их свойства ощущаются как недостатки. Например, оптическая сила квадрупольной линзы растет с ее длиной, что приводит к увеличению длины приборов. Кроме того, качество изо­ бражения, создаваемого квадрупольной линзой, существенно зависит от точного соблюдения величины зазоров между электродами и их симметричного располо­ жения, что предъявляет высокие требования к точности сборки и делает такие конструкции нетехнологичными. Большая протяженность квадрупольных линз вдоль оси и недостатки конструктивного и технологического характера частично преодолеваются при имитации квадрупольной линзы набором плоских диафрагм с отверстием, образованным сочетанием дуг окружности (рис. 1.11). В этом слу­ чае каждая линза формируется из набора четырех и более диафрагм [15].

	С точки			зрения «гибкости»
схемы,			простоты		конструкции
и	технологичности					наиболее
совершенным решением							явля­
ются		скрещенные линзы, прин­
цип работы которых (и само
название)				были	предложены
в	[16].		Оптические			свойства
этих линз, теория и результа­
ты	их		экспериментальных					ис­
следований				изложены		в	[17].
На рис. 1.12 показаны одиноч­
ная		и иммерсионные скрещен­
ные		линзы. Распределение						по­	Рис. 1.11. Астигматичная линза, имити­
ля	в скрещенной				линзе		имеет		рующая квадрупольную

две плоскости симметрии и со­ держит три составляющие — осесимметричную, квадрупольную и

октупольную. Это сообщает линзе следующие свойства: способность фокусировать пучок в одной плоскости симмет­

рии и рассеивать его в другой плоскости; наличие режимов работы, характеризующихся сферической

аберрацией с разными знаками или обращающейся в нуль; возрастание оптической силы линзы с уменьшением расстоя­

ния между электродами.

Оптическая сила скрещенных линз меньше, чем у квадрупольных, но больше, чем у осесимметричных. Возможность построе­ ния иммерсионных скрещенных линз позволяет использовать их в системах послеускореиия.

Применение скрещенных линз в осциллографических ЭЛП показало их существенные конструктивные и технологические преимущества по сравнению с квадрупольиыми, особенно в ча­ сти выигрыша в длине прибора, поскольку линзы образуются сочетанием плоских диафрагм.

Рис. 1.13. Корректоры аберраций астигматичных линз

Представляет интерес использование совместно со скрещен­ ными линзами плоских корректоров с отверстиями различной конфигурации (рис. 1.13). Например, для корректировки геомет­ рических искажений растра в системах послеускорения могут применяться диафрагмы с отверстиями, образованными дугами окружности (рис. 1.13,а), а для коррекции аберраций путем введения независимой октупольной составляющей используются диафрагмы с отверстием в виде равноплечего креста (рис. 1.13,6), которые можно считать аналогом классического октуполя (см. рис. 1.10,г).

В некоторых типах ЭЛП возможно применение двумерных (цилиндрических) линз, простейшая конструкция которых изо­ бражена на рис. 1.14,а. Такие линзы влияют на пучок лишь в одном направлении (для приведенного примера — ось ОУ) и могут применяться в основном в ЭОС, работающих с ленточ­ ными пучками. Оптические свойства этих линз аналогичны свой­ ствам осесимметричных линз, включая невозможность построения рассеивающих линз и коррекции сферической аберрации.

Если		границы электродов цилиндрической линзы в проек­
ции	на	плоскость Х 0 2 имеют	вид параллельных	прямых,	то
для	трансаксиальных линз (рис.		1.14,6) эти границы	имеют	вид

Рис. 1.14. Электронные линзы:

а — цилиндрическая; б — трансакснальная