Потенциалоскоп

Потенциалоскоп — электронно-лучевой прибор, предназначенный для накопления определённой информации и её последующего воспроизведения.

Принцип действия потенциалоскопа

В основе действия потенциалоскопа лежит накопление электрических зарядов на поверхности мишени — потенциалоносителя. Накопленный заряд распределяется по мишени в соответствии с записываемой информацией, и затем это распределение накопленного заряда снова преобразуется в выходной сигнал.

Таким образом, работа потенциалоскопа складывается из двух операций: 1. запись информации, то есть накопление заряда на поверхности мишени; 2. считывание. Запись — это процесс создания на поверхности мишени сохраняющегося потенциального рельефа, соответствующего записываемой информации. В результате второй операции потенциальный рельеф преобразуется в выходной сигнал, дающий достаточно точные сведения о записанной информации.

Кроме записи и считывания, в некоторых типах потенциалоскопах имеется третья, вспомогательная операция — стирание, при которой уничтожается потенциальный рельеф, что бывает необходимо для подготовки потенциалоскопа к записи новой информации.

Информация, подлежащая записи, вводится в потенциалоскоп в виде последовательности электрических импульсов или путём проектирования на фоточувствительную мишень оптического изображения. Точно так же считываемая информация обычно выводится из потенциалоскопа в виде последовательности электрических импульсов. Иногда считываемая информация преобразуется в видимое изображение, рассматриваемое на экране.

Время сохранения записанной информации может изменяться в широких пределах — от долей секунды до нескольких часов и даже дней, а количество считывания — от одного до десятков и сотен тысяч. В некоторых случаях записанная информация сохраняется достаточно длительное время благодаря высокой изоляции мишени, в других трубках для увеличении времени сохранения записанных сигналов применяется специальный электронный луч, фиксирующий («поддерживающий») потенциальный рельеф.

Способы записи и считывания

В общем случае мишень можно рассматривать как совокупность изолированных накопительных элементов. Мишень представляет собой чаще всего слой диэлектрика или же совокупность проводящих частиц, изолированных одна от другой нанесённых на поверхность диэлектрика («мозаика»). Вторично-эмиссионные свойства диэлектрика графически описываются кривой зависимости коэффициента вторичной эмиссии от энергии падающих электронов. Коэффициент вторичной эмиссии в двух точках: при E1=eUкр1 и E1=eUкр2. При развёртке поверхности непроводящей мишени пучком электронов потенциал её элементов может принимать различные равновесные значения в зависимости от энергии электронов, бомбардирующих поверхность мишени. При анализе работы потенциалоскопа необходимо учитывать, что потенциал поверхности диэлектрика может существенно отличаться от потенциала ускоряющего электрода электронного прожектора, создающего луч, падающий на мишень. В этом случае истинная энергия электронов, достигающих мишени, определяется не ускоряющим напряжением прожектора, а потенциалом элемента мишени, облучаемого электронным пучком. Однако энергия электронов, подлетающих к мишени, зависит от ускоряющего напряжения прожектора или напряжения коллектора, если оно отличается от ускоряющего напряжения. Коллектор устанавливается вблизи мишени для отбора вторичных электронов, испускаемых мишенью.

В потенциалоскопе используются следующие способы записи: равновесная, бистабильная, неравновесная и запись возбуждённой проводимости. Сравнительно редко в потенциалоскопах применяется запись перераспределением зарядов, используемая в передающих телевизионных трубках.

Равновесная запись

Разность потенциалов между катодом записывающего прожектора и коллектором выбирается большей Uкр2 или меньшей Uкр1. В этом случае при развёртки мишени немодулированным пучком её поверхность принимает равновесный потенциал Uкр2 или 0. Если при этом подвести входной сигнал к катоду записывающего прожектора, то новый равновесный потенциал будет тем же по отношению к катоду, но будет изменяться относительно потенциала коллектора. Таким образом на поверхности мишени будет создан потенциальный рельеф, соответствующей информации, которая была подведена к катоду. В этом случае записываемый сигнал подводится к коллектору. При развёртке поверхности мишени немодулированным электронным пучком потенциалы элементов мишени доводятся до равновесного значения, примерно равного потенциалу коллектора по отношению к катоду записывающего прожектора

Бистабильная запись

Применяется в тех случаях, когда записываемая информация может быть записана в двоичной системе, то есть представлена в виде «0—1», «да — нет», «чёрное — белое». При бистабильной записи потенциал мишени может иметь только два сильно отличающихся равновесных значения. Например, можно произвести бистабильную запись, изменяя потенциал, ускоряющий первичные электроны, Uа<Uкр1 до Uа<Uкр1 или от Uа<Uкр2 до Uа<Uкр2. В первом первый равновесный потенциал равен 0, второй близок к потенциалу коллектора; во втором случае — первый равновесный потенциал близок к потенциалу коллектора, второй равен Uкр2.

Неравновесная запись

Осуществляется путём смещения потенциалов элементов мишени от их равновесного значения, которое приобретается мишенью при подготовке к записи или при стирании. Обычно это равновесное значение близко к потенциалу коллектора. Перед записью на сигнальную пластинку подается напряжение, значительно отличающееся от потенциала коллектора. При записи модулированным пучком потенциалы элементов мишени в большей или меньшей степени смещаются от равновесного значения, в результате чего на поверхности мишени появляется потенциальный рельеф. Неравновесная запись может быть осуществлена пучком с очень малым током. В этом случае заряд, приносимый электронным пучком, оказывается недостаточным для доведения потенциала мишени до равновесного значения, и на мишени образуется потенциальный рельеф, содержащий градации «серого» (полутона).

При считывании сеточным управлением потенциальный рельеф на поверхности мишени создаёт местные электрические поля, которые могут воздействовать на проходящие вблизи мишени электроны. Такое «управляющее» действие местных полей аналогично действию управляющей сетки электронной лампы на электронный поток, идущий с катода на анод лампы. При сеточном считывании сетка как элемент потенциалоскопа может отсутствовать, а роль управляющей сетки могут играть местные электрические поля у поверхности мишени. В некоторых типах потенциалоскопов мишень выполняется в виде металлической сетки, покрытой с одной или с двух сторон слоем диэлектрика. В этом случае наличие потенциального рельефа изменяет проницаемость («прозрачность») мишени для считывающего пучка. В других типах потенциалоскопов со считыванием сеточным управлением потенциальный рельеф (местные поля) управляет вторичными или отражёнными первичными электронами, уходящими с мишени.

Во всех способах сеточного управления электроны считывающего пучка не оседают на мишени и не сглаживают потенциальный рельеф. Поэтому такое считывание применяется в тех случаях, когда необходимо многократное считывать однажды записанной информации. Считывание сеточным управлением может осуществляться сфокусированным пучком, развертываемым по поверхности мишени, или при непрерывном облучении поверхности мишени широким, не сфокусированным пучком электронов. Считывание сеточным управлением применяется в потенциалоскопах, выходным сигналом которых является видимое изображение на экране, покрытом люминофором. В этом случае потенциальный рельеф мишени модулирует пучок электронов, идущих на экран.

Считывание перераспределением зарядов по поверхности мишени, применяемое в некоторых типах потенциалоскопов, не отличается от считывания, применяемого в иконоскопах.

Кроме операций записи и считывания, в некоторых типах потенциалоскопов необходима операция стирания (уничтожения) записанной информации, целью которой является подготовка мишени к записи новой информации. Обычно стирание производится так, что все элементы мишени, независимо от имевшегося на них заряда, доводятся до равновесного потенциала.

Потенциалоскоп, преобразующий электрический сигнал в видимое изображение

Потенциалоскоп, выходным сигналом которого является только видимое изображение, получающееся на люминесцирующем экране. В качестве примера такой трубки можно привести потенциалоскоп с фотоэлектронным возбуждением люминофора. В цилиндрической колбе установлена мишень.

Дно колбы, противоположное мишени, покрыто слоем люминофора. Горловина колбы расположены под углом 25—300° к оси колбы. Внутренняя поверхность цилиндрической части колбы и горловины имеет проводящее покрытие, выполняющее функции коллектора. Один коллектор помещённый в горловине трубки, осуществляет и запись и стирание. В этом потенциалоскопе используются неравновесная запись и считывание сеточным управлением.

Прожектор потенциалоскопа используется только при записи.

Мишень представляет собой слой диэлектрика, нанесённый на сигнальную пластинку. На поверхности диэлектрика расположены фоточувствительные частицы (миниатюрные фотокатоды), электрически связанные между собой. Не закрытая фотокатодами поверхность диэлектрика является потенциалоносителем. При записи ускоряющее напряжение повышается до значения, превышающего второй критический потенциал, и к модулятору прожектора подводится записываемый сигнал. Так как при этом потенциал мишени понижается, на поверхности мишени создается отрицательный потенциальный рельеф, глубина которого примерно пропорциональна току записывающего пучка. Таким образом, трубка позволяет записывать полутона. Записанный сигнал при отсутствии считывания и стирания в случае кварцевого потенциалоносителя и вакуума не хуже 10-7 мм рт. ст. может сохраняться длительное время — до 30 дней.

Считывание происходит при освещении элементарных фотокатодов внешним источником света. При этом потенциал сигнальной пластинки устанавливается отрицательным относительно коллектора. Электроны, испускаемые фотокатодами при освещении, ускоряются полем коллектора и фокусируются однородным продольным магнитным полем, создаваемым длинной катушкой, надетой на цилиндрическую часть колбы. Потенциальный рельеф действует подобно управляющей сетке электронной лампы: электроны с фотокатодов, расположенных вблизи отрицательно заряженных элементов мишени, тормозятся и не доходят до люминесцирующего экрана или доходят в меньшем количестве. Так как однородное магнитное поле «переносит» электронное изображение с мишени на экран, записанный сигнал воспроизводится на экране в виде изображения.

Очевидно, полярность выходного сигнала обратно полярности записываемого сигнала, то есть максимальной амплитуде входного сигнала соответствуют тёмные места изображения. Трубка допускает передачу градаций «серого», так как при неравновесной записи глубина потенциального рельефа может иметь любые значения в пределах между двумя равновесными потенциалами, яркость свечения экрана также может меняться в широких пределах в зависимости от тока фотоэлектронов. Считывание может продолжаться в течение 10—15 мин, затем изображение начинает заметно ухудшаться, главным образом вследствие сглаживания потенциального рельефа положительными ионами, легко образующимися при больших скоростях электронов.

Разновидностью трубок, преобразующих электрический сигнал в видимое изображение, являются потенциалоскопы со знаковой индикацией. В этих трубках используются равновесная запись и считывание сеточным управлением. Особенностью их является наличие на пути записывающего электронного пучка металлической пластинки — матрицы, придающей пучку поперечное сечение в форме определенного знака. При падении такого «промоделированного» матрицей электронного пучка на мишени, выполненной в виде сетки, покрытой слоем диэлектрика, создается потенциальный рельеф, воспроизводящий записываемый знак. При считывании луч считывающего прожектора проходит сквозь сетку-мишень лишь в тех местах, где был записан сигнал, и, попадая на экран, воспроизводит записанный знак.

Примером такой трубки служит тайпотрон. В горловине трубки помещается электронный прожектор, пластины выбора знака, направляющие луч на соответствующее место матрицы, а также компенсирующие и адресные пластины. Компенсирующие пластины необходимы для направления электронного пучка, прошедшего матрицу, вдоль оси трубки. Адресные пластины направляют луч в необходимую область мишени. В области за матрицей до компенсирующих пластин пучок фокусируется магнитной катушкой надетой на горловину трубки.

В широкой части колбы установлена мишень в виде мелкоструктурной сетки, покрытой со стороны прожектора слоем диэлектрика. Дно колбы покрыто слоем люминофора. Горловина, переходная область и широкая часть колбы имеют отдельные проводящие покрытия с различными потенциалами. На одной из адресных пластин укреплён считывающий прожектор, создающий широкий не сфокусированный поток электронов, облучающих всю мишень.

При записи пучок из прожектора, оформленный матрицей в виде знака, направляется адресными пластинами на выбранное место мишени. При считывании медленные электроны считывающего пучка не проходят сквозь сетку-мишень в тех местах, где не было записи информации. В тех же местах, где написаны знаки, за счет более высокого потенциала мишени электроны считывающего пучка попадают в ускоряющее поле и проходят сквозь мишень. После ускорения в пространстве мишень — экран электроны, прошедшие сквозь мишень, бомбардируют экран, вызывая свечение. Примерная картина, наблюдаемая на экране тайпотрона, показана на рис. 4. Конструкция тайпотрона сложна, и поэтому он пока не получил широкого распространения.

Список используемой литературы

• «Электронно-лучевые трубки с накоплением зарядов» Супряга Н. П.
• «Электронно-лучевые трубки с накоплением зарядов» Кноль М.
• «Электронно-лучевые трубки» Жигарёв А. А.