научная статья по теме МОДЕЛИРОВАНИЕ ПОВЕДЕНИЯ ОТРАЖЕННЫХ ЭЛЕКТРОНОВ В ЭЛЕКТРОННО-ОПТИЧЕСКИХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯХ Электроника. Радиотехника

Текст научной статьи на тему «МОДЕЛИРОВАНИЕ ПОВЕДЕНИЯ ОТРАЖЕННЫХ ЭЛЕКТРОНОВ В ЭЛЕКТРОННО-ОПТИЧЕСКИХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯХ»

РАДИОТЕХНИКА И ЭЛЕКТРОНИКА, 2015, том 60, № 2, с. 213-216

ЭЛЕКТРОННАЯ ^^^^^^^^^^^^ И ИОННАЯ ОПТИКА

УДК 621.383.8

МОДЕЛИРОВАНИЕ ПОВЕДЕНИЯ ОТРАЖЕННЫХ ЭЛЕКТРОНОВ В ЭЛЕКТРОННО-ОПТИЧЕСКИХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯХ © 2015 г. Е. Н. Козырев, И. Н. Гончаров, А. И. Малдзигати, Ю. Ф. Шеврикуко

Северо-Кавказский горно-металлургический институт (государственный технологический университет) Российская Федерация, 362021, Владикавказ, ул. Николаева, 44 E-mail: goncharov-scgtu@mail.ru Поступила в редакцию 30.11.2013 г.

Предложены подходы к моделированию электрического поля, возникающего на входе каналов микроканальных пластин (МКП), установленных в электронно-оптических преобразователях (ЭОП), используемых в технике ночного видения. Представлена методика определения граничных условий модели, позволяющая адекватно рассчитывать траектории электронов, эмитируемых фотокатодом ЭОП 2+ поколения, впоследствии взаимодействующих с торцевой поверхностью МКП. При помощи разработанной модели исследовано поведение электронов, отраженных входной поверхностью МКП.

DOI: 10.7868/S0033849415020060

Микроканальные пластины (МКП) (см. рис. 1) — стеклянные вакуумные многоканальные детекторы и усилители электронных изображений — широко применяются в различных областях техники, в частности в приборах ночного видения, схема которого приведена на рис. 2. Электронный сигнал, несущий визуальную информацию и нуждающийся в усилении, передается на вход МКП с поверхности фотокатода. Фотокатод в электронно-оптическом преобразователе (ЭОП) расположен параллельно МКП на расстоянии /фк_МКП = = 0.25 мм. Разность потенциалов, поддерживаемая между ними, соответствует ^фк_МКП = 500 В.

Следует отметить, что коэффициент умножения электронов, а также степень полноты передачи электронного изображения во многом определяются отношением площадей открытой поверхности МКП и межканальных перегородок (см. рис. 3). Данный параметр МКП называется прозрачностью ю и согласно техническим условиям на изделие имеет значение порядка 0.58...0.6. Чем ближе величина ю к единице, тем полнее передается электронный сигнал через МКП и в меньшей степени подвергается дискретизации. В результате сформированное на экране ЭОП изображение будет обладать большей яркостью, разрешающей способностью и меньшими шумовыми характеристиками.

Необходимо также знать о поведении электронов, эмитируемых фотокатодом, и впоследствии задерживаемых входной торцевой (нерабочей) поверхностью пластины. Для детального изучения данного явления необходимо разработать

средства автоматизированного исследования поведения электронов, эмитируемых с входного торца МКП. Эти средства используют модель электрического поля, формируемого в области входной части каналов с учетом граничных условий, и модель поведения электронов в условиях данного поля. Рассмотрим принципы моделирования электрического поля в областях перед торцевой поверхностью МКП и в начальной части каналов с учетом граничных условий. Поскольку

Рис. 1. Микроканальная пластина в таре.

214

КОЗЫРЕВ и др.

Рис. 2. Схема прибора ночного видения с ЭОП 2+ поколения; 1 — объектив; 2 — фотокатод; 3 — вакуумный блок ЭОП 2+ поколения; 4 — микроканальная пластина; 5 — катодолюминесцентный экран; 6 — окуляр; 7 — глаз; 8 — электроды питания ЭОП; 9 — входная поверхность МКП.

фотокатод и поверхность МКП обладают относительно большими площадями (около 2.5 см2) и расположены на малом расстоянии друг от друга, образованное между ними электрическое поле можно рассматривать как плоское. Математическая модель такого поля может быть построена на основе уравнения Лапласа, которое имеет вид [1]:

д 2и + д 2и = 0

дх2 ду2

(1)

где х, у — значения координат, и — потенциал поля.

Рассмотрим более детально конструкцию области фотокатод-вход МКП ЭОП, фрагмент се-

Рис. 3. Схема поверхности МКП; к — период структуры; ¿1 — диаметр канала; к — ширина межканальной перегородки.

чения которой приведен на рис. 4. Отметим, что при решении уравнения Лапласа методом конечных разностей, рассчитываемая область должна быть замкнутой [2].

Пусть реальная электронно-оптическая система (ЭОС) области фотокатод-вход МКП включает большое число каналов с диаметром сечения d =10 мкм, периодически повторяющихся по диаметру пластины, равному 20 мм. Расстояние от фотокатода до МКП составляет 0.25 мм, длина каналов равна 0.4 мм. Анализ проблемы показывает, что при использовании сеточного метода в процессе автоматизированного расчета распределения электрического поля с оптимальным шагом сетки к = 1 мкм для хранения информации в двумерных массивах требуется большой объем оперативной памяти ЭВМ [3]. Очевидно, что границы области исследований по возможности необходимо сократить, но так, чтобы не снизить адекватность результатов расчетов. Установлено, что конструкция ЭОС (прежде всего ее периодичность), а также условия ее функционирования позволяют сделать это. Необходимо сократить и замкнуть область, исходя из физических соображений, таким образом, чтобы введенные для расчета участки границы не повлияли на условия, определяющие поведение электронов.

Рассмотрим распределение потенциала на участке 2—3 между фотокатодом и входом МКП (см. рис. 4). Чем больше расстояние от поверхности пластины, тем меньше влияние каналов на поле зазора. С учетом величины диаметра каналов ^ = 10 мкм) можно считать, что на расстоянии (2...3) d от участка 2—7и далее к катоду рас-

4

3

МОДЕЛИРОВАНИЕ ПОВЕДЕНИЯ ОТРАЖЕННЫХ ЭЛЕКТРОНОВ

215

I

Рис. 4. Схема задания граничных условий при моделировании распределения электрического поля в области входа МКП в ЭОП 2+ поколения; I — к фотокатоду; II — область эмиссии; III — входные торцы МКП.

пределение потенциала между катодом и МКП соответствует распределению потенциала между двумя плоскими электродами, т.е. оно линейное. Таким образом, можно принять, что в данной области граница располагается на расстоянии 20 мкм (участок 2—3) и проходит вдоль участка 3—6. Распределение потенциала на участке 2—3 устанавливается в результате взаимодействия электрических полей каналов МКП и зазора фотокатод-МКП в

соответствии со значениями К

фк-МКП'

'фк-МКП и

иМКП. Подлежащие исследованию упруго-отраженные и вторичные электроны, эмитируемые входной торцевой поверхностью МКП в направлении к фотокатоду, обладают начальной энергией величина которой не превышает 10 эВ. Под действием тормозящего поля, возникающего из-за напряжения Кф/к_МКП, вылетающие с торцевой поверхности МКП электроны будут возвращаться обратно ко входу МКП. Сопоставив значения тормозящего поля и энергии вылета электронов, можно сделать вывод, что высоты параболических траекторий электронов будут невелики и не превысят 5 мкм. Таким образом, задачу моделирования поведения электронов, вылетающих с торцевой поверхности МКП, также можно решать, рассматривая ограниченную область промежутка фотокатод — вход пластины. Без потери точности результатов достаточно рассчитать картину поля на выбранном ранее расстоянии, со-

ставляющем 20 мкм от торцевой поверхности (вдоль участков 2—3, 6—7на рис. 4).

Поскольку ускоряющее напряжение, подаваемое на МКП, линейно возрастает вдоль ее каналов в соответствии с длиной канала и сопротивлением резистивно-эмиссионного слоя, то распределение потенциала между входной и выходной поверхностями пластины следует принять линейным по аналогии с областью 2—3. При этом в проводимом исследовании достаточно рассматривать только часть канала, в данном случае четверть длины, равную 100 мкм. Таким образом, в обозначенной области граница пройдет по участку 1—8. Степень прироста потенциала вдоль участка 2—1 и его граничное значение будут определяться в соответствии с общим напряжением питания МКП.

Наконец, необходимо замкнуть исследуемую область вдоль сечения поверхности МКП, т.е. ограничить длину участка 2—7 (см. рис. 4). Пусть он включает шесть каналов, разделенных перегородками. Полученное сечение с вертикальными границами 1—3 и 8—6 дает возможность создать достаточно точную картину поля, характерную для реального промежутка фотокатод-микроканальная пластина.

Замкнутость области — необходимое, но не достаточное условие для решения уравнения Лапласа методом конечных разностей [1]. В каждой точке границы, принадлежащей элементам кон-

4

3

2

1

216

КОЗЫРЕВ и др.

(а)

(б) П

(в) Г\

(г)

Рис. 5. Рассчитанные траектории торцевых электронов МКП на фоне элемента ее бокового сечения при различных начальных условиях вылета электронов: а — Е = 1 эВ, а = 0; б — Е = 3 эВ, а = 67°; в — Е = 12 эВ, а = 45°; г — Е = 17 эВ, а = 45°.

струкции пластины, должен быть известен потенциал или его нормальная производная. На участках 3—6 и 1—8 значения потенциалов постоянны, на участках 2—3и 7—6, а также 2—1 и 7—8они изменяются линейно. Способы определения данных потенциалов были рассмотрены выше. Таким образом, на всех участках граничные условия соответствуют задаче Дирихле (в каждой точке на границе исследуемой области задано значение потенциала и требуется определить его распределение внутри области). Данную задачу следует решать численно методом конечных разностей.

После решения задачи о нахождении поля с учетом установленных выше граничных условий, следует приступить к расчету траекторий электронов в этом поле. Поведение электронов, вылетающих с торцевой поверхности МКП по направлению к фотокатоду, описывается следующей системой уравнений [4]:

V — (х

' х 1

<Н Л

= - еЕ

Vy - ёу,

. у (Н

dVy

т

- -

(2)

(I т

где Ух, Уу — проекции вектора скорости на оси х, у соответственно, Ех, Еу — рассчитанные напряженности поля в проекции к осям х, у, е и т — заряд и масса электрона.

При расчете траекторий необходимо учитывать следующие начальные условия: угловое распределение относительно перпендикуляра к эмиссионной поверхности для вылетающих вторичных электронов является косинусоидальным, энергия вылета электронов Е соответствует диапазону (1.15) эВ [5, 6].

На рис. 5 приведены результаты вычислений, соответствующих различным начальным условиям. Они выполнены при помощи разработанных средств автоматизированного анализа расчетов. Исследования п

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком