Разработка модели нейтрализации обратных ионных потоков и ее применение в САПР электронно-оптических преобразователей тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.13.12, кандидат технических наук Гончаров, Игорь Николаевич

• Гончаров, Игорь Николаевич
• кандидат технических наук
• 1999

Оглавление диссертации кандидат технических наук Гончаров, Игорь Николаевич

ОГЛАВЛЕНИЕ

Введение

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

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

в микроканальных ЗОН

1.2.1. Использование барьерной алюминиевой пленки

на входной поверхности МКП

1.2.2. Ужесточение процесса обезгаживания МКП

1.2.3. Возможности электронно-оптической ситемы ЭОП

в отношении снижения фактора шума

1.3. САПР ЭОП

Глава 2. Разработка модели нейтрализации обратных

положительных ионов и ее применение в САПР ЭОП

2.1. Моделирование поведения ионов

2.1.1. Подготовка математической модели электростатического поля ЭОП

2.1.2. Разработка математической модели поведения положительных ионов в ЭОП

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

паров в электростатическом поле ЭОС

2.2.1. Алгоритм ввода в память ЭВМ конфигурации и

параметров ЭОС

2.2.2. Алгоритм графического представления ЭОС на

экране монитора

2.2.3. Алгоритм расчета электростатического поля, формируемого ЭОС

2.2.4. Алгоритм расчета и графического построения траекторий ионов

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

диаметра и месторасположения ионного пятна

2.2.6. Алгоритм автоматизированного поиска

оптимальных и^^ и угла наклона каналов МКП

2.3. Автоматизированное проектирование системы нейтрализации ионов

2.4. Оценка точности и экономичности реализованной модели

в инверсионных микроканальных ЭОП посредством разработанной САПР

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

3.1.1. Двухэлектродная конструкция ЭОС

3.1.2. Сложные конструкции ЭОС

3.2. Разработка конструкции инверсионного микроканального

ЭОП на основе проведенных исследований

3.3. Некоторые рекомендации по контролю качества МКП

перед их монтажом в ЭОП

Глава 4. Разработка математической модели угла влета

фотоэлектронов в каналы МКП в ЭОП

Заключение

Библиографический список использованной литературы

Приложения

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Разработка модели нейтрализации обратных ионных потоков и ее применение в САПР электронно-оптических преобразователей»

-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.

Заключение диссертации по теме «Системы автоматизации проектирования (по отраслям)», Гончаров, Игорь Николаевич

-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, необходимо; максимально, насколько это допустимо, снизить разность потенциалов мезду анодом и катодом; максимально уменьшить отверстие в диафрагме анода; по возможности задавать больший диаметр фокусирующего электрода; использовать 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.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Гончаров, Игорь Николаевич, 1999 год

Библиографический список использованной литературы

1. Вутслов М.М., Степанов Б.М., Фанченко С.Д. Электронно-оптические преобразователи и их применение в научных ис-ледованиях. - М.: Наука, 1978. - 432 с.

2. Каминский М. Атомные и ионные столкновения на поверхности металла. - М.: Мир, 1967. - 506 с.

3. Достижения в технике передачи и воспроизведения изображений / Шаген П. и др. ; под ред. Б. Кейзана. - М. : Мир, 1978, т. 1. - 335 с.

4. Еерковский А.Г., Гаванин B.Â., Зайдель И.Н. Вакуумные фотоэлектронные приборы. - М.: Радио и связь, 1988. -272 с.

5. Брагин Б.Н., Меламид А.Е. Микроканальные электронно-оптические преобразователи.: Сб. Итоги науки и техники / Серия Электроника и ее применение. - М. : ВИНИТИ, 1979. - 207 с.

6. Глазер В. Основы электронной оптики. Пер. с нем. М. : ГТТИ, 1957. - 576 с.

7. Зайдель И.Н., Куренков Г.И. Электронно -оптические преобразователи. - M.ï Советское радио, 1970. - 56 с.

8. Соболева Н.А., Меламид А.Е. Фотоэлектронные приборы.-М.: Высшая школа, 1974. - 376 с.

9. Верковский А.Г., Гаванин В.А., Зайдель И.Н. Вакуумные фотоэлектронные приборы. - М. : Энергия, 1976. - 344 с.

10. Каскадные электронно-оптические преобразователи и их применение: Сб. науч. тр./ Отв. ред. М.М. Бутс лов. - М. : Мир, 1965. - 448 с.

11. Изнар А.Н. Электронно-оптические приборы. - М. : Машиностроение, 1997. - 263 с.

-15512. Нейман Л.Р., Демирчян К.С. Руководство к лаборатории электромагнитного поля. - М.: Высшая школа, 1961. - 219 с.

13. Василевский А.М. , Кропоткин М.А., Тихонов В.В. Оптическая электроника. - Ленинград: Энергоатомиздат, 1990.- 176с.

14. Соболева Н.А., Берковский А.Г., Чечик Н.О., Елисеев Р.Е. Фотоэлектронные приборы. - М.: Наука, 1965. - 592 с.

15. Кулов С.К. Исследование электростатических полей и электронно-оптических траекторий в изделиях типа "У". / Аннотированный отчет / ШШ. - Орджоникидзе, 1969.

16. Рейхель Т. , Иедличка М. Фотоэлектронные катоды. - М.: Энергия, 1968. - 160 с.

17. Фридрихов С.А., Мовнин С.М. Физические основы электронной техники. - М.: Высшая школа, 1982. - 608 с.

18. Вутслов М.М. Электронно-оптические преобразователи./ Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук. / Москва: НИИ N801, 1955.

19. Федоров В.Ю. Электростатические фокусирующие системы и их применение в ЭОП. / Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук. / Москва: НИИ прикладной физики, 1968.

20. Михайлова И.В. Повышение стабильности электронно-оптических преобразователей с МКП при оптимизации процессов изготовления. / Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук. / Владикавказ, 1994.

21. Зайдель И.Н. Стабильность параметров серийно выпускаемых каскадных ЭОП с электростатической фокусирующей системой. / Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук. / Москва: МЭЛЗ, 1966.

-15622. Брайнин Н.Ю. Сцинтилляции в электронно-оптических преобразователях./ Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук./ Москва: НИИ прикладной физики, 1967.

23. Кулов С.К., Перепелицын В.В., Плиев А.В. Поле в канале микроканальной пластины с заряженными стенками. // Труды Северо-Кавказского государственного технологического университета. - 1995. - Выл 1. - С.172 - 175.

24. Козырев Е.Н., Гончаров И.Н. Анализ основных факторов шума микроканальных ЭОП. Владикавказ. Деп. в ВИНИТИ 13.05.97, N1576-В97 (1997).

25. Агеев В.А., Бернацкий Д.П., Мечетин A.M., Павлов В.Г. К вопросу о многоэлектронных сцинтилляциях в электронно-оптических преобразователях // Журнал технической физики. - 1987. т.57 - N6 - С. 1121 - 1125.

26. Архипова Т.А., Вегучев В.П., Мечетин A.M., Черкасова Е.Н. Влияние цезия на уровень многоэлектронных сцинтилляций в электронно-оптическом преобразователе // Оптико-механическая промышленность. - 1984. - N5. - С. 13-14.

27. Boutot J.P. Degassing of microchannel plates. Acta electrónica, - 1071, - 14, - N2. p.245-262.

28. Timothy J.G., Bybee R.L. Preliminary results with microchannel array plates employing curved microchannels to inhibit ion feedback. Rev. Sci Instrum - 48, - No.3 - 1977.-p.292-299.

29. Pollen H., Bratton J., Piengold R. Low noise proximity focused image intensifiers. Photo-Electron Image Devices. Proc. 6th Symp. London 1974 / -p. 21-36.

-15730. Айнбунд М.Р., Поленов B.B. Вторично-электронные умножители открытого типа и их применение. - М. : Энергоиздат, 1981. - 138 с.

31. Айнбунд М.Р. Влияние давления остаточных газов на параметры канальных электронных умножителей / Электронная оптика / Серия 4. - 1979 - С.63-66.

32. Козырев E.H., Кулов С.К., Михайлова И.В., Петренко A.M., Розэ Ю.А., Тарченко С.А. Усовершенствование процессов обезгаживания МКП // XI Всесоюзная научно-техническая конференция по фотоэлектронным приборам "Новые принципы формирования ТВ изображений". Тезисы докладов. ВНИИ "Электрон", 1990. - С 39-40.

33. Перепелицын В.В. Исследование влияния паров цезия на резистивные характеристики микроканальных пластин. Сб.тр. СКГТУ, вып.3. Владикавказ, 1997.

34. Козырев E.H., Гончаров И.Н. Анализ основных факторов шума МКП в ЭОП // НТК СКГТУ. Тезисы докладов. Владикавказ, 1997.

35. 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.

36. Козырев E.H., Гончаров И.Н. Расчет углов влета фотоэлектронов в каналы микроканальных пластин электронно-оптических преобразователей 2-го поколения. Сб.тр.СКГТУ, вып.6. Владикавказ, 1999.

37. Саттаров Д.К. Разработка технологии изготовления

МКП с диаметром канала 8-10 мкм методом травления. / Аннотированный отчет 1Ф06-32-78 / Москва, ГОИ, 1979.

38. 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. Владикавказ, 1995.

39. Куликов Ю.В. Контраст электронно-оптического изображения и его зависимость от дефектов электростатических фокусирующих систем ЭОП./ Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук/ Москва: НИИ прикладной физики, 1967.

40. Арифов У.А. Взаимодействие атомных частиц с поверхностью металла. Сб.тр. А.Н. Узб.ССР, Ташкент, 1962.

41. Розэ Ю.А., Бурзянцев В.Н., Козырев E.H., Гончаров И.Н., Федотова Г.В., Максимова Н.Г. Заявка N 97121997/09, кл. МПК6 H01J31/50. Решение о выдаче патента на изобретение от 15.03.1999г.

42. Wiclas W.H. Патент 250213, N3 017517, США (1962).

43. Г. Дэниэл, Р. Пауль. Патент 2580864, Франция (1984).

44. Афанасьев В.В., Дашевский Б.Е., Закиров Ф.Г., Ильин В.Н., Никитин Л.М. Патент 3510233/18-21, СССР (1982).

45. Патент 1.276.831, ФРГ (1986).

46. Патент 513/779, США (1986).

47. Шехмейстер Е.И. Общая технология электровакуумного производства. - М.: Высшая школа, 1979. - 295 с.

48. Луфт Б.Д., Шустина А. Л. Очистка деталей электронных приборов. - М.: Энергия, 1968. - 320 с.

49. Богатырев А.Е. Шушунова Л.И., Цыганов Т.М. Новые ме-

тоды контроля чистоты и дефектности поверхностей деталей / Обзоры по электронной технике. - М.: ЦНИИ "Электроника"» 1980. - 36 с.

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

51. Иванов В.И. Дозиметрия ионизирующих излучений.- М.: Атомиздат, 1964. - 264 с.

52. Пасынков В.В. Материалы электронной техники. - М.: Высшая школа, 1980. - 400 с.

53. Цветков В.Д. Системно-структурное моделирование и автоматизация проектирования технологических процессов.-Мн. : Наука и техника, 1979. - 264 с.

54. Автоматизация поискового конструирования / Половин-кин А.И. и др.; под редакцией А.И. Половинкина. - М.: Радио и связь, 1981. - 344 с.

55. Петренко А.И., Семенов О.И. Основы построения системы автоматизированного проетирования. - Киев: Вища шк., 1984. - 296 с.

56. Норенков И.П. Системы автоматизированного проектирования. Кн.1. Принципы построения и структура. - Мн. : Выш. шк., 1987. - 123 с.

57. Норенков И.П. Системы автоматизированного проектирования. Кн.5. Численные методы решения систем уравнений. -Мн.: Выш. шк., 1987. - 150 с.

58. Климонтович Ю.JL Статистическая физика. - М.: Наука, 1982. - 606 с.

-16059. Якушенков Ю.Г. Основы теории и расчета оптико-электронных приборов. - М.: Советское радио, 1971. - 336 с.

60.Норекков И.П., Маничев И.Б. Основы теории и проектирования САПР. - М.: Высшая школа, 1990. - 335 с.

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

62. Балекин В.И. , Иванов А.Н. Применение ЭВМ для проектирования электронно-оптических систем электронно-лучевых приборов и установок. - Ленинград.' ЛЭТИ, 1983. - 47 с.

63. Дебновецкий C.B., Журавлев 0.В., Писаренко Л.Д. Численные методы анализа электронных приборов. - Киев: УМК ВО, 1988. - 280 с.

64. Березин Ю.А. Численные методы оптимизации эмиссионных электронно-оптических систем. - Новосибирск: Наука, 1987. - 122 с.

65. Клич С.М. Проектирование СВЧ устройств радиолокационных приемников. - М.: Советское радио, 1973. - 319 с.

66. Кергаль И. Методы проектирования на Бейсике. - М.: Мир, 1991. - 287 с.

67. Дьяконов В.П. Применение персональных ЭВМ и программирование на языке Бейсик. - М.: Радио и связь, 1989. - 287с.

68. Уолш Б. Программирование на Бейсике. - М.: Радио и связь, 1987. - 335 с.

69. Фигурнов В.Э. IBM PC для пользователя. - М. : Финансы и статистика, 1992. - 282 с.

70. Пискунов Н.С. Дифференциальное и интегральное исчи-

сления. - М.: Наука, 1964. - 544 с.

71. Бахвалов Н.С. Численные методы. - M.s Наука, 1973.631 с.

72. Зельдович Я.Б., Мышкис А.Д. Элементы прикладной математики. М.: Наука, 1972. - 592 с.

73. Львовский E.H. Статистические методы построения эмпирических формул. - М. : Высшая школа, 1988. - 239 с.

74. Зажигаев Л.С. Методы планирования и обработки результатов эксперимента. - М.: Атомиздат, 1978. - 231 с.