автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.12, диссертация на тему:Разработка модели нейтрализации обратных ионных потоков и ее применение в САПР электронно-оптических преобразователей

На правах рукописи

РГБ ОЛ

ГОНЧАРОВ Игорь Николаевич

1и I

Мб

РАЗРАБОТКА МОДЕЛИ НЕЙТРАЛИЗАЦИИ ОБРАТНЫХ ИОННЫХ ПОТОКОВ И ЕЁ ПРИМЕНЕНИЕ В САПР ЭЛЕКТРОННО-ОПТИЧЕСКИХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ

Специальность 05.13.12 - "Системы автоматизации проектирования (промышленность) "

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Владикавказ 1999

Работа выполнена в Северо-Кавказском Ордена Дружбы Народов государственном технологическом университете

Научные руководители: доктор технических наук, профессор

Хадонов Зураб Мусаевич

кандидат технических наук, профессор Козырев Евгений Николаевич

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Воронин Петр Андреевич

кандидат технических наук Попугаев Борис Григорьевич

Ведущая организация: Научно-исследовательский институт

электронных приборов (Москва)

Защита диссертации состоится "¿¿Г" ьцок^х- 1999 г. в /6 час, на заседании диссертационного совета К 063.12.03 в Северо-Кавказском государственном технологическом университете.

Отзывы (в двух экземплярах, заверенные печатью) просим направлять по адресу: 362021, РСО-Алания, г.Владикавказ, ул. Николаева 44, Ученый Совет СКГТУ.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке СКГТУ. Автореферат разослан * У" 1999г.

Ученый секретарь диссертационного совета К 063.12.03

доктор технических наук, профессор

Хасцаев Б.Д.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Одним из основных 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, десорбирую-щихся в каналах МКП под воздействием электронной бомбардировки. Образующиеся при этом положительные ионы ускоряются в сторону * отрицательных" концов каналов, покидают их и движутся в направлении к катоду, при соударении с которым вызывают с его поверхности паразитную ионно-электронкую эмиссию. Данный фактор становится более значимым, поскольку в современных ЭОП все большее применение находят МКП без барьерной алюминиевой пленки на входной поверхности.

В настоящее время основными методами борьбы с обратными положительными ионами признаны такие как, жесткое обезгаживание 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, 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 исследуется. Средства САПР, разработанные и давно используемые при конструировании ЭОП, 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.

Цель диссертации состоит в разработке математических и программных средств проектирования системы нейтрализации, обратных положительных ионов, эмитируемых МКП в ЭОП, проведении соответствующих исследований ЭОС и создании технологичной конструкции ЭОС ЭОП, эффективно нейтрализующей ионы.

Для достижения поставленной цели были решены

следующие задачи:

- исследование библиотеки математических

моделей физических полей и процессов переноса в

электронных приборах и разработка математических

4

моделей электростатического поля ЭОС ЭОП и поведения ионов остаточных газов, эмитируемых МКП, с определением и заданием граничных и начальных условий;

- разработка алгоритма оптимизации ЭОС ЭОП с точки зрения эффективной нейтрализации ионов и определение критериев оптимальности;

- разработка и реализация алгоритма расчета и анализа траекторий обратных ионов в микроканальном инверсионном ЭОП;

- анализ различных методов устранения обратной ионной связи в ЭОП посредством ЭОС и выработка рекомендаций по их применению в САПР.

Методы исследования. В работе использованы методы моделирования на ЭВМ; методы теории электростатического поля; численные итерационные методы решения линейных алгебраических уравнений; статистические методы обработки результатов экспериментов, включающие регрессионный и многофакторный анализ, метод наименьших квадратов .

Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждается:

- соответствием результатов теоретических и экспериментальных исследований;

- работоспособностью созданного алгоритма процесса нейтрализации обратных ионных потоков;

- результатами внедрения разработанных математических и программных средств в практику автоматизированного проектирования ЭОП.

Научная новизна работы заключается в 5

разработке:

- математической модели поведения ионов остаточных газов в электростатическом поле ЭОП;

- модели оптимизации ЭОП с точки зрения эффективной нейтрализации положительных ионов и ее реализации в САПР;

- методов снижения обратной ионной связи в

ЭОП;

- моделей и алгоритмов, позволяющих определять углы влета фотоэлектронов в каналы МКП в ЭОП различных конструкций;

методики, по зволяющей повысить эффективность контроля чистоты поля зрения МКП с алюминиевой пленкой на входной поверхности.

Практическая значимость работы заключается в следующем:

- на основе полученных математических моделей разработан и реализован алгоритм расчета траекторий обратных положительных ионов в микроканальном ЭОП;

- построенная на основе предложенных моделей система автоматизации проектирования ЭОП позволяет создавать новые ЭОС, эффективно нейтрализующие подавляющее большинство обратных положительных ионов;

- разработанные алгоритмические и программные средства, позволяют конструировать ЭОП в более короткие сроки и с повышенным до 5-6 значением величины сигнал/шум при освещенности фотокатода, составляющей 1*10"5 лк.

б

- материалы диссертации могут быть использованы в учебном процессе с целью освоения студентами новых методов и приемов автоматизированного проектирования ЭОП.

Реализация результатов работы. Разработанные методические, алгоритмические и программные средства внедрены на ГП 4 Гран" в процесс проектирования и производства ЭОП; а теоретические положения - в учебный процесс специальности ЛУ Электронные приборы и устройства" в Северо-Кавказском государственном технологическом университете.

Апробация работы. Основные положения и результаты работы были представлены и обсуждены на научно-технических, конференциях СКГТУ (1995 - 1998 г.г.) .

Публикации. По теме диссертации опубликовано 7 статей и получено положительное решение о выдаче патента РФ на изобретение.

Структура и объем диссертации. Работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и двух приложений. Общий объем диссертации 174 стр., в том числе 43 рисунка, 4 таблицы, список литературы из 7 4 наименований, приложения на 12 стр.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В первой главе анализируются основные факторы шума современных микроканальных ЭОП для выбора наиболее оптимального направления исследо-

ваний, ведущих к улучшению качества изображения этих приборов [1,2]. В результате определено, что в микроканальных ЭОП одним из самых основных факторов, способных отрицательно повлиять на электронное изображение, является обратная положительная ионная связь, поскольку она может привести к появлению на экране раздражающих глаза ярких сцинтилляций и светлого (темного) ионного пятна.

Далее в главе анализируются известные методы предотвращения обратной ионной связи и снижения общего уровня сцинтилляций. Выявлено, что уменьшение газовыделения МКП, использование барьерной алюминиевой пленки на входе МКП, а также разработка конструкций ЭОС, нейтрализующих воздействие обратного ионного потока на фотокатод и МКП, являются наиболее эффективными и распространенными. Приоритетной признана работа над совершенствованием электронно-оптической системы.

В заключение первой главы рассмотрены современные отечественные средства САПР ЗОП (пакеты программ WE MOVE" и *CLASER"), позволяющие проводить в интерактивном режиме поиск оптимальных геометрий, расположения электродов и напряжений на них для получения заданных геометрических характеристик систем электронной оптики электронно - оптических приборов с широкими электронными пучками. Сделан вывод, что общим недостатком этих средств является невозможность анализа траекторий положительных

ионов, с последующим совершенствованием ЭОС с

8

точки зрения их нейтрализации, поскольку алгоритмы этих САПР построены таким образом, что конечной целью является разработка электронно-оптической системы, формирующей поток фотоэлектронов. Следовательно есть необходимость в создании средств, значительно расширяющих возможности существующих САПР ЭОП. .

Вторая глава посвящена вопросам автоматизации проектирования системы нейтрализации ионов в ЭОП посредством ЭОС. Предложен алгоритм автоматизированного проектирования, который показан на рис.1.

Он построен следующим образом. После формулирования технического задания и представления конструкции ЭОС, подлежащей исследованию и совершенствованию, производится разработка и реализация алгоритма расчета и анализа траекторий обратных положительных ионов, который включает три этапа. На первом этапе осуществляется подготовка математической модели электрического поля ЭОС, обладающего вращательной симметрией в декартовой системе координат, которую можно представить в виде уравнения Лапласа:

-+ -=0, (1)

дк2 ду2

где и - потенциал поля, В; х и у - значения координат, м.

т.з.

Корректировка ТЗ

Подготовка математической модели электростатического поля ЭОП

Разработка математической модели поведения ионов в ЭОП

СИНТЕЗ

Разработка и реализация алгоритма расчета и анализа траекторий ионов в ЭОП

5Е

Задание конфигурации ЭОС и ввод исходных данных в ЭВМ

Автоматизированный расчет распределения электрического поля в ЭОС

Автоматизированный расчет траекторий ионов

АНАЛИЗ

ПАРАМЕТРИЧЕСКИЙ СИНТЕЗ

ш

Изменение парамотров.

Получено ^требуемое проектное решение?:

^ Нет

.„......................................... ¿¡-¡¿.г

'возможные &зриацшГ<^ параметров

К следующему уровню поектирования

Рис. 1. Алгоритм автоматизированного проектирования системы нейтрализации ионов в ЭОП 2-го поколения

Численное решение уравнения (1) осуществляется методом конечных разностей. После того, как решена задача о поле, необходимо произвести расчет траекторий ионов, движущихся в нем. Математическая модель поведения иона в электростатическом поле разрабатывается на втором этапе и представлена следующей системой уравнений:

с1х ¿у

;

=УУ-'

с1У

_X

Ч

ш

Е „;

:2)

ш

Е

где с!х - продольная координата, м; dy - поперечная координата, м; dt - время, с;

У^ и V - проекции вектора скорости на оси х и у соответственно, м/с;

д - заряд иона (I <д| = ! е1 ) , Кл; ш - масса иона, кг;

Ех, Е^ - рассчитанная напряженность поля в проекции к осям х и у, В/м.

Данная модель несколько отличается от известной модели движения электрона. В частности здесь фигурирует положительная величина д вместо отрицательной -е, обозначавшей заряд электрона. Пусть I с[| = I е| поскольку положительно заряженный ион остаточного газа или пара представляет собой

частицу, образующуюся при потере электрона нейтральным атомом и поэтому часто имеет заряд, равный заряду электрона по величине, но противоположный по знаку.

К начальным условиям, которые требуется задать при работе с математическим описанием (2) , необходимо отнести начальные координаты движения иона Х0 и Y0, (м), начальную скорость влета иона в вакуумный блок из .канала МКП - У0, (м/с) и начальный угол влета иона относительно оптической оси ЭОС-а, (градус) . Значения Х0 и У0 задаются произвольно. Примем, что величина а определяется углом наклона каналов МКП, а Ч0 зависит от рабочего напряжения МКП и места зарождения иона в канале, при этом, естественно, чем ближе к выходу пластины зарождается ион, тем выше скорость его вылета из МКП в ЭОС.

У0- можно определить из следующего выражения

-V

Vn = \1 ——— AU (3)

0 v m

где Ли - разность потенциалов, воздействующая на ион в канале МКП.

Тогда требуемые для решения (2) значения проекций величины V0 на оси х и у определяются из выражений

V = Vn *cos а ; V = Vn * sin а (4)

х0 О У0 °

Третий этап разработки и реализации алгоритма расчета и анализа траекторий обратных положитель-

12

ных ионов в ЭОП заключается в создании соответствующего программного продукта.

Далее, согласно схеме, приведенной на рис.1, осуществляется непосредственно проектирование системы нейтрализации ионов в ЭОП. Оно начинается с задания исходной конфигурации ЭОС, удовлетворяющей необходимым требованиям, в плане формирования фотоэлектронного изображения и ввода ее в память ЭВМ. После этого производится автоматизированный расчет распределения электрического поля в предложенной конструкции. Далее следует расчет . траекторий ионов, эмитируемых МКП, согласно задаваемым начальным условиям.

Результатом расчетов является графическое построение траекторий на фоне меридиональной плоскости анализируемой ЭОС (рис.2). Для оценки проектного решения выявляется наличие траекторий ионов, устремляющихся на конечном этапе к фотокатоду или к входной поверхности МКП. Положительным следует считать такой результат, когда полностью отсутствует ионная бомбардировка фотокатода, а на входную поверхность МКП возвращается минимум ионных траекторий при условии, что анализу подверглась вся входная рабочая поверхность МКП с интервалом в 1мм. Из рис.2 видно, что ЭОС известного изделия * Канал", несколько несовершенна и нуждается в соответствующей оптимизации, поскольку нет гарантии, что ионы не преодолеют положительного тормозящего поля, формируемого анодом. Как видно

из рис.2, существует вероятность достижения ионами

13

поверхности фотокатода. Это приведет к появлению ионного пятна на электронном изображении, что недопустимо. Кроме того, немалая часть ионов, задерживаемая положительным тормозящим полем, создаваемым анодом по отношению ко входу МКП, возвращается на входную поверхность МКП, бомбардируя ее (4 траектории направлены на вход МКП) . При этом 'в соответствующих каналах осуществляется паразитная ионно-электронная эмиссия, которая приводит к возникновению существенного темнового тока в МКП.

Если в процессе анализа установлено, что результат неудовлетворителен, как это имеет место в приведенном случае, в качестве следующего этапа автоматизированного проектирования следует параметрический синтез конструкции (см.рис.1). При этом осуществляется поиск возможностей более эффективной нейтрализации ионов варьированием величин Аи и а посредством автоматизированного проведения многофакторного анализа. В серии экспериментов рассматриваются два фактора - имкп, определяющее Аи и изменяющееся в пределах 600900В, в случае, если анод и вход МКП в ЭОП электрически соединены, и угол наклона каналов МКП' - а, варьируемый в интервале 5 - 13°. Эксперимент будет иметь удовлетворительный результат, если ионы не преодолеют положительное тормозящее поле и возможно большее их число не развернется к поверхности МКП.

В случае, если многофакторный анализ не привел к удовлетворительному исходу, необходимо

14

Система из 4 электродов

Вход . а/д анод фотокатод

МКП электрод

1. 2кВ О.ЗкВ 2кВ ОВ

имкп - 800В; угол = 7°; диаметр = 28мм

Рис. 2. Траектории обратных положительных ионов

в ЭОП * Канал"

Система из 4 электродов Вход а/д анод фотокатод

МКП электрод

1.5кВ О.бкВ 2.ЗкВ 0В

и = 8 00В; угол = 7°; диаметр = 19мм

Рис. 3. Траектории обратных положительных ионов в ЗОЯ *XX150 0"

произвести структурный синтез, т.е. осуществить корректировку ЭОС и все последующие действия (см.рис.1). Если все возможные структуры рассмотрены, а положительный результат не достигнут, необходимо изменить редакцию ТЗ, т.е. снизить требования к заданному отношению сигнал/ шум.

Если же проектное решение найдено, осуществляется переход к следующему уровню проектирования, т.е. производится дополнительный - контрольный расчет траекторий фотоэлектронов с помощью специального пакета программ, и, в случае необходимости, корректируйтея межэлектродные расстояния ЭОС для оптимизации разрешающей способности ЭОП.

Разработанная программа позволяет также проводить исследовательскую работу, связанную с изучением закономерностей распространения ионов в ЭОС. Результатами расчета в данном случае являются численные значения координат точек соударения ионов с элементами ЭОС. Такой режим дает возможность строить различные зависимости, выявлять взаимосвязь между особенностями ЭОС и конфигурацией траекторий.

Установлено, что уменьшению воздействия ионного потока на фотокатод способствует снижение ускоряющего напряжения между фотокатодом и анодом; увеличение диаметра диафрагмы анода и уменьшение диаметра отверстия диафрагмы; рост угла наклона каналов МКП. Выявлено, что перестройка

ЭОС с целью изменения величины электронно-

16

оптического увеличения ЭОП не приводит к изменению направления распространения ионов.

В заключение второй главы определены адекватность и экономичность разработанной и реализованной модели. Показано, что реализованная модель поведения положительного иона в электростатическом поле ЭОП адекватная для инженерных расчетов. Анализ и практическая проверка конфигурации траекторий ионов подтверждает достоверность получаемых результатов. Относительные погрешности, определенные на основе сравнения месторасположения центра ионного пятна, а также его диаметра в опытном ЭОП и вычисленных в процессе расчета идентичной конструкции на ЭВМ, составили 10-15%.

Для определения экономичности модели использовались тестовые задачи. Тестовой задачей для определения экономичности математической модели поведения ионов в ЭОП может быть расчет электрического поля инверсионного ЭОП до достижения разницы значений напряжений в одной и той же ячейке сетки в соседних итерациях в доли или единицы вольт и последующее вычисление и анализ траекторий ионов. С учетом модели компьютера можно легко определить затраты машинного времени и памяти вычислительной системы на реализацию тестовой задачи. Следует также отметить, что реализованная модель отличается высокой степенью надежности, открытости и мобильности.

В третьей главе диссертации на основе

разработанной модели с помощью ЭВМ осуществлены

17

исследования различных ЭОС ЭОП на предмет обратной ионной связи.

Подробно исследуются ЭОС известных изделий: * Канал", выпускаемого производственным объединением *МЭЛЗ" в г. Москве и "XXI500" голландской фирмы Philips. Они имеют схожие конструкции (см. рис. 2 и 3) , для которых одинаково характерно электрическое й конструктивное разделение анода и входа МКП, а также наличие антидисторсионного электрода (а/д электрода) . В этих ЭОС на анод подается напряжение, обеспечивающее фокусировку фотоэлектронов, равное приблизительно 2.3 кВ относительно потенциала фотокатода. Напряжение, подаваемое на вход МКП, составляет около 1.5 кВ относительно фотокатода. В результате создаются условия • для предотвращения попадания положительных ионов, эмитируемых МКП без алюминиевой пленки, на фотокатод, т.к. анодом формируется положительное тормозящее поле. Кроме того, энергия фотоэлектронов при влете в каналы МКП снижена, что несколько уменьшает собственный коэффициент шума пластины.

Сравнительный анализ ЭОС изделий * Канал"

и "ХХ1500", проведенный с помощью разработанной

САПР, позволил сделать вывод, что "ХХ150 0"

выглядит более выгодно с двух точек зрения. Во-

первых, в данном изделии вероятность того, что

ни одна ионная траектория не преодолеет

тормозящего положительного поля высока, а значит

здесь не допускается бомбардировки фотокатода

ионами. Это можно объяснить оптимальной кон-

18

струкцией анода, который миниатюрнее соответствующего электрода * Канала" . Данное обстоятельство при одинаковой для двух ЭОС разности потенциалов между входом МКП и анодом, равной имкп, способствует формированию более плотного тормозящего поля, сконцентрированного внутри анода в непосредственной близости от отверстия диафрагмы. Во-вторых, в ЭОП *ХХ1500" в отличие от wКанала" лишь незначительное количество обратных ионов, задерживаемых тормозящим полем, возвращается на входную поверхность МКП. Это объясняется тем, что небольшие габариты анода, формирующего тормозящее поле в сочетании с оптимальной конструкцией а/д электрода, притягивающего согласно поданному на него потенциалу положительные ионы, способствуют поглощению значительного количества ионов, летящих с периферии поверхности МКП, протяженным и небольшим в диаметре а/д электродом до того, как они попадают под влияние тормозящего поля анода.

В заключение третьей главы осуществляется

разработка конструкции ЭОП с использованием пакета

программ ' Е MOVE" и созданной программы расчета

траекторий ионов. В электронно-оптической системе

разрабатываемого ЭОП с МКП без барьрной пленки

(см. рис.4) предлагается не разделять анод и

вход МКП, но, при этом, снабдить ее небольшим

электродом-кольцом, расположенным внутри анода,

и имеющим положительный по отношению к аноду

потенциал, равный потенциалу, подаваемому на

выходной электрод МКП. Подбирая конструкцию,

19

месторасположение и электрический потенциал кольца, необходимо добиться, чтобы оно не оказывало влияния на полезный фотоэлектронный поток. Для этого его предлагается разместить вблизи диафрагмы анода в области кроссовера. Принцип работы такого вакуумного блока аналогичен функционированию ЭОП 'Канал" и ^ХХ1500", но его конструкция значительно проще, поскольку не требует усложнения оболочки вакуумного блока. Кроме того, она не уступает эффективности ЭОС *ХХ1500" в плане воздействия на поток обратных положительных ионов, эмитируемых МКП.

Результаты лабораторных испытаний изделий, созданных на базе осуществленных расчетов, показали, что при подключении ЭОП в режиме контроля чистоты поля зрения на установке контроля параметров, светлое ионное пятно, а также яркие сцинтилляции на электронном изображении отсутствуют; наилучшие образцы в выборке характеризуются величиной отношения сигнал/шум, равной 6, при освещенности фотокатода, составляющей 1*10"5 лк;снижения разрешающей способности при подключении кольца не наблюдается (она составила 32 штр./мм) . Таким образом новый электрод создает эффективное тормозящее поле для ионов, не воздействуя на рабочий фотоэлектронный поток.

В четвертой главе путем обработки различных ЭОС на ЭВМ с помощью метода наименьших квадратов разрабатываются математические модели угла влета фотоэлектронов (3 с различных участков фотокатода в каналы МКП относительно оптической оси для ЭОС ЭОП с а/д электродом и без него. Полученные модели позволяют оперативно и с высокой степенью точности определять месторасположение темного

20

Система из 4 электродов фотокатод электрод- анод а/д

кольцо электрод

ОВ 3.4кВ 2.6кВ 1.7кВ

вход МКП

2.6 кВ

Г =

гэо =

эо

г = гэо =

эо

г =

0 X = 68 0.99 X = 68.7

1 X = 62.8 1.01 X = 57.1 1.03 X = 54.8 1.05 X = 46.7

0.0

У = У = -1 У = -2

У = У = У =

5 7 5 4 .8

б)

Вход МКП 2.6 кВ

а/д анод электрод- фотокатод

электрод кольцо

1.7кВ 2.6кВ 3.4кВ ОВ

имкп = 815В; угол = 8°; диаметр = 19мм

Рис. 4. Анализ электронно - оптической системы разработанного изделия

а)Траектории рабочих фотоэлектронов(расчет ЭОС)

б)Траектории обратных положительных ионов

21

прямопролетного пятна на электронном изображении, появление которого вызвано совпадением направления распространения фотоэлектронов с направлением каналов МКП, определяемым углом их наклона, в зависимости от различных условий. Это даст возможность выбора оптимального рабочего диаметра фотокатода, обеспечивающего отсутствие пятна/ различных составляющих ЭОС; допустимого угла наклона каналов МКП; позволит оценить эффективность предлагаемой конструкции а/д электрода в плане нейтрализации прямопролетного пятна.

Полученная математическая модель Р для ЭОС без а/д электрода имеет вид

1.1Б * Г

эо

|3 = агс*д -, (5)

2(1.2Бфэ + 0.5с1н + 0.77с10 - 1.45с1Д/Вфэ )

где Б - рабочий диаметр фотокатода, м;

Бэф - диаметр фокусирующего электрода, м;

с1н - диаметр диафрагмы анода, м;

с10 - диаметр отверстия диафрагмы, м;

Гоо - предполагаемый коэффициент электронно-оптического увеличения электронного изображения.

При наличии в ЭОС а/д электрода, для оценки возможности снижения угла влета электронов в зависимости от роста разности потенциалов между а/д электродом и анодом-входом МКП предлагается

22

использовать следующую модель

Р'= к(3, (6)

где Р' - угол влета электронов в каналы МКП относительно оптической оси в ЭОС с а/д электродом, градус;

к - безразмерный коэффициент, учитывающий введение а/д электрода в ЭОС, который можно выразить в виде

к = -0.596* 10"4|Ди1 +1.003, (7)

где Аи - разность потенциалов между ано-дом и а/д электродом.

Относительная погрешность вычислений с использованием представленных уравнений составляет порядка 6-8%.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

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

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

3. Создан и реализован алгоритм расчета и

23

анализа траекторий ионов, что позволило провести исследования различных ЭОС ЭОП в результате которых, выявлены закономерности распространения ионов остаточных газов, эмитируемых МКП; исследованы известные способы исключения влияния положительных ионов посредством ЭОС, установлены их достоинства и недостатки. На основании этих исследований разработаны рекомендации, позволяющие создавать конструкции с повышенным на 4 0-50% отношением сигнал/шум. Реализованный алгоритм обеспечивает существенное сокращение сроков разработки ЭОП за счет уменьшения объема экспериментальной части ОКР.

4 . Разработана и изготовлена новая технологичная конструкция ЭОП с электродом-кольцом, нейтрализующим обратные положительные ионы. Изделие имеет высокие потребительские качества, одновременно являясь конструктивно и технологически очень простым. Оно характеризуется отсутствием ионного пятна и ярких сцинтилляций на электронном изображении, величиной отношения сигнал/шум, равной б, 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 РФ [8].

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

Разработанные методики и алгоритмы внедрены в производство на ГП 'Гран" а также в учебный процесс СКГТУ. Внедрение предложенной САПР в процесс разработки ЭОП на предприятии 4 Гран" 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.

СПИСОК ПУБЛИКАЦИЙ

1. Козырев E.H., Гончаров И.Н. Влияние обратного ионного потока на параметры электронно-оптических преобразователей// НТК, посвященная 50-летию

Победы над фашистской Германией. Тезисы докладов.

25

Владикавказ, 1995.

2. Козырев E.H., Гончаров И.Н. Анализ основных факторов шума микроканальных ЭОП. Владикавказ. Деп. в ВИНИТИ 13.05.97, N1576-B97 (1997).

3. Козырев E.H., Гончаров И.Н. Анализ основных факторов шума МКП в ЗОП// НТК СКГТУ. Тезизы докладов. Владикавказ, 1997.

4. Козырев E.H.. Гончаров И.Н.. Федотова Г.В. Анализ причин повышенной яркости темнового фона электронно-оптических преобразователей и методы борьбы с ней. Сб.тр.СКГТУ. вып.5.Владикавказ, 1998.

5. Козырев E.H., Гончаров И.Н. Автоматизированное проектирование системы • нейтрализации ионов в электронно-оптических преобразователях. Сб.тр. НТК, посвященной 60-летиьо НИСа СКГТУ, Владикавказ, 1998.

6. Козырев E.H., Гончаров И.Н. Анализ траекторий обратных положительных ионов, эмитируемых микроканальной пластиной, в инверсионных электронно-оптических преобразователях различных конструкций. Сб.тр. НТК, посвященной 60-летию НИСа СКГТУ, Владикавказ,1998.

7. Козырев E.H., Гончаров И.Н. Расчет углов влета

фотоэлектронов в каналы микроканальных пластин

электронно-оптических преобразователей 2-го

26

поколения. Сб.тр.СКГТУ, вып.б. Владикавказ, 1999.

8. Розэ Ю.А., Бурзянцев В.Н., Козырев E.H., Гончаров И.Н., Федотова Г.В., Максимова Н.Г. Заявка № 97121997/09, кл. МПК6НОlj31/50. Решение о выдаче патента на изобретение от 15.03. 1999г.

Подписано в печать ¡1.0У, 99■ Объем 1,0 п.л.Тираж 100 экз. Зак. № • Отпечатано:РИА "АНКО" Печать офсетная.

27

Северо-Кавказский государственный технологический

университет

На правах рукописи

Гончаров Игорь Николаевич

РАЗРАБОТКА МОДЕЛИ НЕЙТРАЛИЗАЦИИ ОБРАТНЫХ ИОННЫХ ШТОКОВ И ЕЕ ПРИМЕНЕНИЕ В САПР ЭЛЕКТРОННО-ОПТИЧЕСКИХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ

Специальность 05.13.12 - "Системы автоматизации проектирования (промышленность)"

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научные руководители: доктор технических наук профессор З.М. Хадонов;

кандидат технических наук профессор E.H. Козырев

Владикавказ - 1999

ОГЛАВЛЕНИЕ

Введение ................................................... 5

Глава 1. Состояние вопроса нейтрализации обратной ионной связи в электронно-оптических преобразователях 2-го поколения и развития средств САПР ЭОП ........ 9

1.1. Обратный ионный поток из каналов МКП, как один из основных факторов, снижающих качество электронного изображения .........<...•...■«•.••...•................ 9

1.2. Анализ основных методов предотвращения обратной ионной связи и снижения общего уровня сцинтилляций

в микроканальных ЗОН .................................. 23

1.2.1. Использование барьерной алюминиевой пленки

на входной поверхности МКП....................................24

1.2.2. Ужесточение процесса обезгаживания МКП .............27

1.2.3. Возможности электронно-оптической ситемы ЭОП

в отношении снижения фактора шума .................. 30

1.3. САПР ЭОП..............................................35

Глава 2. Разработка модели нейтрализации обратных

положительных ионов и ее применение в САПР ЭОП .... 42

2.1. Моделирование поведения ионов ......................... 42

2.1.1. Подготовка математической модели электростатического поля ЭОП ....................... 42

2.1.2. Разработка математической модели поведения положительных ионов в ЭОП ..........................49

2.2. Алгоритм расчета и анализа траекторий движения обратных положительных ионов остаточных газов и

паров в электростатическом поле ЭОС ................... 59

2.2.1. Алгоритм ввода в память ЭВМ конфигурации и

параметров ЭОС ..................................... 62

2.2.2. Алгоритм графического представления ЭОС на

экране монитора ....................................75

2.2.3. Алгоритм расчета электростатического поля, формируемого ЭОС ...................................80

2.2.4. Алгоритм расчета и графического построения траекторий ионов ................................... 82

2.2.5. Алгоритм вычисления координат финишных точек траекторий движения ионов и определения

диаметра и месторасположения ионного пятна ......... 88

2.2.6. Алгоритм автоматизированного поиска

оптимальных и^^ и угла наклона каналов МКП........92

2.3. Автоматизированное проектирование системы нейтрализации ионов................................... 98

2.4. Оценка точности и экономичности реализованной модели .. 99 Глава 3. Исследование траекторий обратных ионных потоков

в инверсионных микроканальных ЭОП посредством разработанной САПР .........................................104

3.1. Анализ траекторий обратных положительных ионов, эмитируемых МКП, в ЭОП различных конструкций и снижение их воздействия на качество электронного изображения ........................................... 104

3.1.1. Двухэлектродная конструкция ЭОС ...............................104

3.1.2. Сложные конструкции ЭОС............................ 114

3.2. Разработка конструкции инверсионного микроканального

ЭОП на основе проведенных исследований................ 129

3.3. Некоторые рекомендации по контролю качества МКП

перед их монтажом в ЭОП ............................... 141

Глава 4. Разработка математической модели угла влета

фотоэлектронов в каналы МКП в ЭОП .................143

Заключение .......................................................151

Библиографический список использованной литературы..........154

Приложения ......................................................162

-5-Введение

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 исследований -автоматизированное 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 условий; разработка алгоритма оптимизации ЭОС ЭОП с точки зрения эффективной нейтрализации ионов и определение критериев оптимальности; разработка и реализация алгоритма расчета и анализа траекторий обратных ионов; анализ различных методов устранения обратной ионной связи в ЭОП посредством ЭОС и выработка рекомендаций по их применению в САПР.

В работе использованы методы моделирования на ЭВМ; мето-

ды теории электростатического поля; численные итерационные методы решения линейных алгебраических уравнений; статистические 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.

ГЛАВА 1. Состояние вопроса нейтрализации обратной ионной связи в электронно-оптических преобразователях 2-го поколения и развития средств САПР ЭОП

1.1. Обратный ионный поток из каналов МКП, как один из основных факторов, снижающих качество электронного

изображения

Современные микроканальные инверсионные электронно-оп-тичеекие преобразователи, (рис.1) обладают* целым рядом достоинств. Среди них: высокая эффективность фотокатода при величине интегральной чувствительности до 1000 мкА/лм; значительная величина коэффициента преобразования (до 50000) при весьма малых габаритах и весе? довольно высокое значение разрешающей способности, до 30 - 32 штр./мм при коэффициенте электронно-оптического увеличения, равном 1; низкое значение дасторсии, менее 7%; возможность регулировать яркость изображения в зависимости от изменения внешних условий и т.д. Однако, их общий недостаток - высокий уровень щума, так отношение сигнал/шум у этих приборов равно в среднем 3 -- 4 (при освещенности фотокатода, составляющей 1*1О"5 лк), что заметно ниже, чем, к примеру, у многокамерных ЭОП.

Темновой ток ЭОП можно, как известно 1241, разделить на следующие основные составляющие ?

1. Термоток с фотокатода.

2. Автоэлектронная эмиссия с различных электродов прибора.

3. Паразитная фотоэмиссия, вызываемая излучением в приборе.

4. Вторичная электронная эмиссия.

Рис.1. Микроканалышй инверсионный ЭОП

1 - фотокатод;

2 - анод;

3 - МКП;

4 - люминесцентный экран;

5 - траектории фотоэлектронов.

-115. Токи утечки между электродами ЭОП. в. Темновой ток МКП.

7. Шумы, возникающие в результате ионной обратной связи.

Для выбора приоритетного направления исследований, осуществляемых с целью улучшения качества электронного изображения микроканальных ЭОП,а также повышения уровня автоматизации процесса разработки преобразователей, рассмотрим приведенные факторы шума несколько подробней.

1. Воспользовавшись уравнением Ричардсона-Дешмана, которое приближенно применимо к полупроводниковому фотокатоду для расчета плотности тока термоэмиссии з'т, можно определить [16], что у многощелочного фотокатода типа 5-20 данная величина при окружающей температуре 20°С составит приблизительно —1 р р

1.1 #10 А/и . Тогда ток термоэмиссии 1т, испускаемый фото-

1А

катодом с рабочим диаметром 16мм будет равен 2.2*10 А. Если же учесть термоток, эмитируемый с нерабочих поверхностей ЭОС ^.нер.пов.' некоторых также формируется эмиссионный слой, общий ток термоэмиссии согласно произведенным расчетам составит приблизительно 2.8*10-15А.

Для того, чтобы сопоставить полученную величину с рабочим током фотоэмиссии инверсионного ЭОП, определим фототок из следующего выражения, приведенного в Е43:

1=<р*Е*5, (1.1)

где <р - интегральная чувствительность фотокатода, Е - рабочая освещенность, лк.;

2

5 - полезная площадь фотокатода, м .

А/лм.;

Учитывая, что среднее значение ср составляет 200 мкА/лм, а рабочая освещенность 5*10~4лк, получим значение рабочего фототока!

1ф=200*10~§5*10"4*2*10"4=2*10"11 А.

Как удалось показать, ^»^^^Тнер.пов.' поэтомУ ток термоэмиссии не вносит сколько-нибудь заметный вклад в снижение качества электронного изображения в ЭОП с современным многощелочным фотокатодом, как это имело место, к примеру, когда были наиболее распространены сурьмяно-цезиевые катоды, поэтому нет необходимости в принятии дополнительных мер, связанных с охлаждением фотокатода в процессе эксплуатации таких ЭОП при нормальных температурах. В случае повышения рабочей

температуры до экстремальной, составляющей +50°С, общий ток

-1?

термоэмиссии, как нетрудно подсчитать, составит 1.17*10 А, что в 50 раз меньше 1ф.

2. При больших напряженностях поля термоэлектронный ток растет более резко, чем это следует из теории Шоттки [163. Это значит, что имеет место автоэлектронная эмиссия. Она ос-

тро проявляется только в том случае, если напряженность поля Е в ЭОП достигает определенного критического значения. Из разных источников [15,173 известно, что это значение Е«

о

ИОВ/м. Рабочая величина напряженности в промежутке катод -

анод ЭОП составляет приблизительно 1,5*10^В/м а в промежутке МКП - экран - 4.6*10%/м. При этом условии автоэмиссия серьезно не проявляет себя, но если на электродах имеются какие-либо механические дефекты (шероховатости, острые края, от-

рывы металлизации)8 то в этих местах, локально, резко возрастает значение напряженности электрического поля, и, в случае, если она превышает величину Е^, начинается интенсивная автоэмиссия.

Автоэмиссия может быть практически исключена путем правильного выбора конструкции ЭОП, округлением всех краев электродов, полировкой деталей, а также выбором рабочего напряжения [1, 7]. Необходимо особенно тщательно следить за качеством обработки тех деталей, которые монтируются в прикатод-ной области ЭОП, вблизи микроканальной пластины, в промежутке МКП - экран.

3. В нормально работающем ЭОП при электронной бомбардировке анода и экрана возникает рентгеновское излучение, которое засвечивает фотокатод с образованием паразитного фоторентгеновского тока. Кроме того, в приборе существует оптическая обратная связь: люминесцентный экран - фотокатод. Число рентгеновских квантов, испускаемых экраном за 1 сек.,

о

как следует из [153 приблизительно составляет N=10 . В наихудшем случае, когда все кванты попадают на катод, и когда квантовый выход %=1, величину тока паразитной эмиссии можно определить согласно данному выражению;

1ф/0 = е*И*% = Ю~11А, (1.2)

где 1ф/р - фоторентгеновский ток, А;

е - заряд электрона = 1.6*10 Кл.

Теоретическое значение 1ф/р оказалось сравнимым с 1ф , однако известно, что очень эффективными методами защиты от обратной оптической связи и влияния рентгеновского излучения в ЭОП 2-го поколения являются нанесение прострельной алюминиевой пленки на экран и входную поверхность МКП, а также уменьшение диаметра отверстия анодной диафрагмы. Все эти меры в комплексе способны в значительной степени нейтрализовать паразитную фотоэмиссию в ЭОП.

4. При бомбардировке электронами всех электродов прибора возникает вторичная электронная эмиссия. Наиболее интенсивно бомбардируется анодная диафрагма и окружающие ее элементы конструкции. При бомбардировке металлических электродов энергия первичных электронов равна потенциалу данных электродов (например, в инверсионных микроканальных ЭОП она составляет 3-4 кэВ). При бомбардировке диэлектриков (стеклянных изоляторов конструкции) энергия бомбардирующих электронов определяется потенциалом диэлектрика, который сам меняется, вследствие электронной бомбардировки С91. Ток вторичных электронов можно определить из следующего выражения;

12=о*11, (1.3)

где 12-ток вторичной эмиссии. А;

-ток первичных электронов, А; о -коэффициент вторичной электронной эмиссии.

Вторичный ток по величине может быть сравним с первичным,

веледствие довольно высокого значения (в несколько единиц) величины о для электродов, обработанных цезием, и в условиях высокой напряженности электрического поля.

Среди мер, снижающих интенсивность вторичной эмиссии в ЭОП следует выделить оптимизацию ЭОС (снижение рабочих напряжений , применение защитного экрана на аноде, оптимизацию конструкции анодной диафрагмы), рациональное проведение вакуумной обработки. Меры должны быть направлены на уменьшение количества первичных электронов, не попадающих в отверстие диафрагмы, и снижение коэффициента вторичной электронной эмиссии поверхностей конструкции ЭОС.

5. Токи утечки между электродами возникают в основном из-за наличия проводящих пленок (например, остатков органики, адсорбированного цезия) на изоляторах ЭОЛ [47]. Их сила определяется конструкцией прибора, качеством и чистотой проведения технологических операций при его изготовлении.

Вредные процессы на стеклянных изоляторах связаны чаще всего с отклонением от нормы величины сопротивления стекла и, как следствие, с аномальным изменением значений токов проводимости. Считается нормальным, если сопротивление стеклянно