Потенциалоскопы («Запоминающие» трубки).
Принцип действия потенциалоскопов.
Потенциалоскопами, или «запоминающими» трубками, называются электронно-лучевые приборы, предназначенные для накопления определённой информации и её последующего воспроизведения. В основе действия разнообразных потенциалоскопов 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, т. е. накопление заряда на поверхности мишени; 2) считывание. Запись — это процесс создания на поверхности мишени длительно 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.
В большинстве случаев потенциалы скопы состоят из мишени(потенциалоносителя), на поверхности которой создаётся потенциальный рельеф, электронных прожекторов, создающих записывающий и считывающий электронные лучи, и отклоняющих систем. В некоторых потенциалоскопах для создания записывающего и считывающего лучей используется один прожектор. Кроме этих основных элементов, потенциалоскопы имеют, как правило, коллектор, собирающий электроны (вторичные электроны, фотоэлектроны, электроны, отражённые от мишени), сетки для создания электрических полей необходимой конфигурации и другие вспомогательные элементы, в том числе проводящую подложку мишени, которую обычно называют сигнальной пластинкой , так как к ней может подводиться записываемый сигнал или с неё «сниматься» считываемый сигнал.
Способы записи и считывания.
Существует несколько способов записи и считывания, но в большинстве трубок с накоплением заряда запись и считывание осуществляются под воздействием электронного пучка, развертываемого по поверхности мишени.
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 d=1 в двух точках: при e1=eUкр1 и e1=eUкр2; кроме того, «кажущийся» коэффициент вторичной эмиссии стремится к 1 при e1®0.
При развёртки поверхности непроводящей мишени пучком электронов потенциал её элементов может принимать различные равновесные значения в зависимости от энергии электронов, бомбардирующих поверхность мишени. При анализ работы потенциалоскопов 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. Роль коллектора часто выполняет кольцо проводящего покрытия на стенках колбы в области мишени или специальная сетка, расположенная перед мишенью.
Если потенциал ускоряющего электрода или коллектора ниже Uкр1 и d<1, количество уходящих с мишени вторичных электронов меньше приносимых на мишень электронным пучком. В этом случае на мишени накапливается отрицательный потенциал и потенциал мишени понижается. Когда потенциал мишени сравнивается с потенциалом катода прожектора, электроны перестанут доходить до поверхности мишени — установится равновесное значение потенциала поверхности мишени, равное нулю.
При ускоряющем напряжении, превышающем Uкр1, но меньше Uкр2, мишень теряет больше вторичных электронов, чем получает первичных от электронного пучка, т. е. Поверхность мишени начинает заряжаться положительно. Однако значительного превышения потенциала мишени над потенциалом анода или коллектора не происходит, так как на положительно заряженную мишень возвращается часть вторичных электронов, что компенсирует положительный заряд. Устанавливается равновесное значение потенциала, примерно равное потенциалу анода прожектора или коллектора.
При Uа>Uкр2мишень теряет меньше вторичных электронов, чем получает первичных электронов из пучка, и потенциал поверхности мишени начинает понижаться. Однако в этом случае снижение потенциала до нуля не происходит, так как при достижении мишени потенциала, равного Uкр2, коэффициент вторичной эмиссии становится равным 1, дальнейшее накопление заряда прекращается и устанавливается равновесное значение потенциала мишени, равное Uкр2.
Примерная зависимость потенциала изолированного элемента мишени от энергии первичных электронов приведена на рис. 1. Из рисунка видно, что возможно три различных значения равновесного потенциала: при Uа>Uкр1 равновесный потенциал равен нулю; при Uкр1<Uа<Uкр2 равновесный потенциал примерно равен потенциалу анода; при Uа<Uкр2 равновесный потенциал равен Uкр2.
Таким образом, при подготовки мишени к записи потенциал её элементов доводится развёртывающим электронным пучком до одного, возможно для данной энергии первичных электронов, значения. Подготовка мишени к записи, т. е. Развёртка её поверхности немодулированным пучком электронов при отсутствии входных сигналов, может быть и самостоятельной подготовительной операцией.
В потенциалоскопах используются следующие способы записи: равновесная, бистабильная, неравновесная и запись возбуждённой проводимости. Сравнительно редко в потенциалоскопах применяется запись перераспределением зарядов, используемая в передающих телевизионных трубках.
При равновесной записи 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. Равновесная запись может быть осуществлена и при ускоряющих напряжениях, лежащих в пределах Uкр1¸Uкр2. В этом случае записываемый сигналподводится к коллектору. При развёрткеповерхности мишени немодулированным электронным пучком потенциалы элементов мишени доводятся до равновесного значения, примерно равного потенциалу коллектора по отношению к катоду записывающего прожектора. Однако заряд, накапливаемый элементами мишени, будет различным в зависимости от величины входного сигнала, т. е. и в этом случае на поверхности мишени будет создан потенциальный рельеф.
Бистабильная запись применяется в тех случаях, когда записываемая информация может быть записана в двоичной системе, т. е. 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.
Бистабильная запись допускает два режима «белое по чёрному» и «чёрное по белому». При бистабильной записи в режиме «белое по чёрному» перед записью потенциал мишени приводится к более низкому равновесному значению. Запись производится более быстрыми электронами с энергией, превышающей fg . При этом на «чёрном» нулевом фоне образуется «белый» положительный потенциальный рельеф. При записи в режиме «чёрное по белому», наоборот, перед записью поверхность мишени доводится до более высокого равновесного потенциала. Запись производится медленными электронами, снижающими потенциал элементов мишени до низшего равновесного значения. В этом случае на «белом» положительном фоне создаётся «чёрный» отрицательный потенциальный рельеф.