Разработка модели нейтрализации обратных ионных потоков и ее применение в САПР электронно-оптических преобразователей

Одним из серьезнейших факторов, снижающих качество электронного изображения современных микроканальных инверсионных электронно-оптических преобразователей (ЭОП) 2-го поколения, признан обратный поток положительных ионов остаточных газов, эмитируемый микроканальной пластиной (МКП). Он возникает в результате возбуждения и ионизации атомов газов, десорбирующихся в каналах МКП, под воздействием электронной бомбардировки. Данный фактор становится более значимым, поскольку в современных ЭОП все большее применение находят МКП без алюминиевой пленки на входной поверхности.

В настоящее время основными методами борьбы с обратными положительными ионами признаны такие как, жесткое обезгажива-ние МКП и ЭОП, создание с помощью электронно-оптической системы положительного электрического барьера на пути следования ионов из каналов МКП к фотокатоду, применение эффективных газопоглотителей и некоторые другие. Среди перечисленных мер нейтрализация ионного потока с помощью электронно-оптической системы (ЭОС), как показал анализ литературных данных, является весьма эффективной. Однако следует отметить, что при автоматизированной разработке ЭОП по-прежнему основное внимание уделяется анализу траекторий рабочих фотоэлектронов, определению напрямую связанных с ними параметров преобразователя, их оптимизации, при этом поведение ионов не рассматривается. Средства САПР, разработанные и давно используемые при конструировании ЭОП, также не позволяют наряду с рабочим фотоэлектронным потоком исследовать траектории ионов остаточных газов, а следовательно оптимизировать ЭОС с точки зрения эффективного воздействия на них.

Отсюда следует, что существует необходимость в совершенствовании САПР ЭОП, что даст возможность создавать ЭОС ЭОП, удовлетворяющие самым высоким требованиям не только с точки зрения формирования фотоэлектронного потока, но и в плане наиболее эффективного воздействия на подавляющее большинство обратных положительных ионов. Объектом исследований, в данной диссертации явились потоки обратных положительных ионов, эмитируемые МКП в ЭОП 2-го поколения, а предметом исследованийавтоматизированное проектирование системы нейтрализации ионов.

Цель диссертации состоит в разработке математических и программных средств проектирования системы нейтрализации обратных положительных ионов, эмитируемых МКП в ЭОП и создании технологичной конструкции ЭОС ЭОП, эффективно нейтрализующей ионы. Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи: исследование библиотеки математических моделей физических полей и процессов переноса в электронных приборах и разработка математических моделей электростатического поля ЭОС ЭОП и поведения ионов остаточных газов, эмитируемых МКП, с определением и заданием граничных и начальных условийразработка алгоритма оптимизации ЭОС ЭОП с точки зрения эффективной нейтрализации ионов и определение критериев оптимальностиразработка и реализация алгоритма расчета и анализа траекторий обратных ионованализ различных методов устранения обратной ионной связи в ЭОП посредством ЭОС и выработка рекомендаций по их применению в САПР.

В работе использованы методы моделирования на ЭВМметоды теории электростатического полячисленные итерационные методы решения линейных алгебраических уравненийстатистические метода обработки результатов экспериментов, включающие регрессионный и многофакторный анализ, метод наименьших квадратов.

В заключение вводной части кратко остановимся на структуре диссертационной работы. Она построена следующим образом: в первой главе посредством анализа основных факторов шума современных микроканальных ЭОП осуществляется выбор направления исследований по улучшению качества электронного изображения, рассматриваются возможности ЭОС по устранению обратных ионных потоков остаточных газов, эмитируемых МКП без барьерной алюминиевой пленки на входной поверхности. Далее анализируются наиболее известные отечественные средства САПР ЭОС ЭОП, выявляются их достоинства и недостатки, разрабатывается план модели нейтрализации ионов. Вторая глава посвящена разработке и реализации алгоритма автоматизированного проектирования системы нейтрализации ионов, как подсистемы САПР ЭОП, что включает в себя моделирование электростатического поля ЭОС, разработку модели поведения ионов в электрическом поле, создание на базе модели соответствующего программного продукта, разработку методики применеия данной САПР, определение адекватности и экономичности реализованной модели. В третей главе на основе созданной САПР с помощью ЭВМ осуществляются исследования различных известных ЭОП, ЭОС которых предусматривают защиту от ионных потоков, выявлены и проанализированы их достоинства и недостатки, разработаны соответствующие рекомендации по устранению последних* Здесь же предлагается новая конструкция.

ЗОП с ЭОС, эффективно нейтрализующей положительные ионы. В заключение главы приводятся рекомендации по контролю качества МКП. Четвертая глава посвящена разработке математической модели угла влета фотоэлектронов в каналы МКП ЭОП, выявлению закономерностей между данной величиной и конструктивными особенностями изделия.

— 151-ЗАКЛЮЧЕНИЕ.

В ходе работы над диссертацией были получены следующие результаты.

1. Критически рассмотрены наиболее эффективные способы нейтрализации обратных положительных ионов остаточных газов, эмитируемых МКП в инверсионных ЭОП. Приоритетным признан метод воздействия на ионы посредством электронно-оптической системы.

2. Проанализированы возможности современных САПР ЭОП. Установлено, что их общим недостатком является недоступность моделирования и исследования паразитных процессов в проектируемом изделии, в частности, движения потоков положительных ионов. Выявлена необходимость в создании математических и программных средств анализа поведения ионов и совершенствования ЭОС с целью их нейтрализации.

3. Разработана математическая модель поведения обратных положительных ионов в электростатическом поле ЭОП 2-го поколения.

4. Разработан алгоритм автоматизированного проектирования системы нейтрализации ионов, как подсистемы САПР ЭОП и методика его применения, предусматривающие использование математической модели поведения ионов в электрическом поле.

5. Создан и реализован алгоритм расчета и анализа траекторий ионов, что позволило провести исследования различных ЭОС ЭОП в результате которых, выявлены и показаны закономерности распространения ионов остаточных газов, эмитируемых МКП.

— 1526. Установлено, что с точки зрения минимизации воздействия обратных положительных ионов на фотокатод, необходимомаксимально, насколько это допустимо, снизить разность потенциалов мезду анодом и катодоммаксимально уменьшить отверстие в диафрагме анодапо возможности задавать больший диаметр фокусирующего электродаиспользовать МКП с большим углом наклона каналов. Выявлено, что при разработке систеад нейтрализации ионов в ЭОП, необходимо предотвратить бомбардировку ионами не только фотокатода, но и входной поверхности МКП. Созданная САПР позволяет посредством параметрического и структурного синтеза ЭОС достигать данной цели, что дает возможность разрабатывать конструкции ЭОП с повышенным на 40−50% отношением сигнал/шум.

7. Проведен сравнительный анализ известных ЭОП «Канал» и «ХХ1500». Установлено, что конструкция ЭОС «ХХ1500» более эффективна в плане воздействия на ионные потоки, поскольку она, во-первых, надежно предотвращает бомбардировку фотокатода ионами, а во-вторых, сводит до минимума воздействие обратных ионов на входную поверхность МКП. Основные преимущества данного изделия обеспечиваются более совершенной конструкцией анода и антидисторсионного электрода, а также их взаимодействием.

8. Разработана и изготовлена новая технологичная конструкция ЭОП, снабженная МКП без барьерной пленки, антидис-торсионным электродом, а также электродом-кольцом, нейтрализующим обратные положительше ионы. Изделие имеет высокие потребительские качества, одновременно являясь конструктивно и технологически очень простым. Оно характеризуется отсутствием ионного пятна и ярких сцинтилляций на электронном изображении, наилучшие образцы в выборке имеют отношение сигнал/шум, равное в, при освещенности фотокатода, составляющей 1*10~5 лк. Его себестоимость ниже чем у приборов аналогичного типа на 20−30%. Ряд конструктивных решений данного изделия запатентован в Российской Федерации.

9. Выработаны рекомендации по контролю качества МКП с с алюминиевой пленкой на входной поверхности, позволяющие очень эффективно выявлять дефекты пленки.

10. Получена математическая модель, соответствующая функциональному описанию угла влета фотоэлектронов в каналы МКП различных инверсионных ЭОП. Разработана методика с применением этой модели, которая позволяет вносить определенные коррективы при создании конструкции ЭОП с целью недопущения появления на электронном изображении темного лрямопролетного пятна.

Внедрение предложенной САПР в процесс разработки ЭОП на специализированном предприятии позволило принципиально поднять уровень технологии конструирования, существенно повысить качество разрабатываемых изделий, сократить сроки ОКР на 15−20%, на 20−25% уменьшить расходы на экспериментальные мероприятия, ликвидировать потребность в увеличении численности коллектива проектировщиков.