Введение к работе
l|
'-'-»
Прегтмет исслепования и актуальность темы. Эмиссионной изображающей системой мы называем электронно-оптическую систему, состоящую из источника электронной эмиссии - фотокатода, электростатической или комбинированной (электромагнитной) электронной линзы - катодной линзы, и приемника электронного изображения - экрана. Под действием ускоряющих и фокусирующих полей, сосредоточенных в объеме катодной линзы, фотоэлектроны направляются на приемник изображения и создают на его поверхности пространственно-Бремеїшое распределение плотности тока, называемое электронным изображением.
Благодаря своим уникальным свойствам - возможности достижения высокого отношения сигнала к шуму и высокой безынерционное - эмиссионные изображающие системы получили широкое распространение в современном приборостроении. У*е традиционным является применение эмиссионных систем как основного элемента электронно-оптических преобразователей и усилителей яркости ООП) в инфракрасной технике, астрономии, аэрофотографии, рентгенодиагностике. Трудно переоценить все возрастающую роль ЭОП в исследованиях быстропротекающих процессов в ядерной физике, физике плазмы, физике твердого тела, нелинейной оптике и фотобиологии.
В настоящее время в нашей стране и за рубежом активно ведутся работы по совершенствованию конструктивных, электродинамических и электронно-оптических характеристик эмиссионных изображающих систем ЭОП. Одно из главных направлений этих работ - продвижение временного разрешения в фемтосекундный диапазон (1фс 10" с), что позволит открыть новую страницу в экспериментальных исследованиях явлений микромира.
Решение указанных проблем на сегодняшний день уже немыслимо без всестороннего теоретического анализа и применения методоп математического моделирования. Компьютер сегодня играет роль своеобразной мощной экспериментальной установки, позволяющей детально исследовать сложные физически;
цроцессц в условиях, когда проведение иатуринх экспериментов слишком дорого, трудноосуцгстшшо илл в пршщшзс НЄБОЗМОХПО.
Теоретическое описание процессом формирования электронных изображении в эыисспонаых изображающих системах принципиально отлнчаетса от формально близких задач взаимодействия пучков заряженных частиц с злектроызгнэтиым иолсм, рассматриваемых в других областях радиофизики и физической электроники (паиример, в СВЧ-электроникс, теорш: ускорителен И т.дЛ. В отличие от зягктрошш-оотгческюс систем других классов, ггрглдозначенлы;; для форккрокниіг электронных пучков со средними по сечеито характеристиками (п^рпсаигом , коэффициентом сбора и др.), зииссиокные системы передают в улектроипем пучке дифференциальную информациюоб изображении - контраст. О'їсісдаснеобходимости;;
СЛеДуїОГ СІКЦі;фііЧ!!МС ДЛЯ ЭМИССИОННЫХ C1ICTCM ОЧеНЬ Жесткие- ТреборанКУ г
прецизионности и устойчивости иэтодоз и моделей, птщнепягяих. длз тсоретш>;-е:-;г.го и численного тпалнза характеристик электронного изобгйшеиив.
Осповпые трудности построения теории аберраций эмнкиош:их систем ок.ггчллпсь еще в классических работах Арцішовсча я Ролагсы: 1) объект (.катод) погружен и полі; катодной линзы; 2) начальные скорости фотоэлектронов малы по сравнению с ускоряющим потенциалом (их оп;сшішг обычно составляет -10 - І0""1 );3) апертура пучка на кагоде достигает 90. Такім образом, для эмиссионных систем нарушается одна кз главных предпосылок теории аберраций з классической корпускулярной оптике -условие паргг-сиальности (пологости) траекторий частиц.
'. Преодолению указапных трудностей, анализу общих проблем фокусировки пучков заргжепных частиц в электромагнитных полях и развитию теории изображающих злектроипо-оптпчеекпх систем посвящено значительное количество работ отечествепиых и зарубеашых авторов, среда которых следует отметить рабэш В.Э.Бопштедта, Ю.В.Поробьсва, В.Глазера, Г.А. Гринберга, Ю.К.Голнвова, Ц.П.Касьяакова, Ю.В.Куликоаа, Kciuieu-Дхл-Е, Н.Н.Седова, А.М.Страгаксвича, П.Сгэррока, И.Упткаші и СМарусэ, Ю.А.Флегонтова, П.Хокса, И.И.Цуккермана, О.Шерцера, С.Я.Явор, Е.М.Якушева. Основы теории формирования плотных
электронных пучков залечены в работах В.К.Данилопа, В.Т.Овчарова, В.А.Сырового и рада других авторов.
В начале 80-х годов практика выдвинула на повестку дня новые проблемы, которые отчетливо выявили слабне стороны шюгах известых к тому времени подходов к теории статических эмиссионных изобрэяаюгдих систем. К числу таких проблем можно отнести рясчет и ояишпзацгпо эмиссионных систем с большим рабочим полем фотокатода и сильным сжатием изображения, 'Зеркально-линзовых эмиссионных систем, мкогосеточпых эмнссиопних систем с послеускоре.чием, змнсспопяых систем с нарушенной симметрией поля и сложноЗ геометрией электродов, гмиссиоппых спстем с распределенной проводимостью поверхности фотокатода.
В этот же период, в связи с интенсивным развитием методов и аппаратных средств пнко-фемтосекундвой регистрации, возникла необходимость прецизионной сцепки влияния па качество электронного изображения не только статических, по и динамических эффектоз, обусловленных временной дисперсией члетиц, кулоновским ушпренпем электронных пакетов, наличием полей рассеяния в системе развертки изображения, конечностью скорости распространения электромагнитного взаимодействия и т.д. Несмотря «а то, что иервые фундаментальные результаты в области электронно-оптической хронографи» были получены еще в середине 50-х годов в пионерских работах Е.К.Завойского и С.Д.Фанчешсо, последовательная теория п регулярные методы расчета пространственно-временных характеристик динамических эмиссионных систем с разверткой изображения отсутствовали.
В диссертации разработан общий подход к теории эмиссионных изображающих систем, основанный на методах возмущений. Этот подход позволил построить строгую аберрационную теорию и эффективные методы расчета пространственно-временных аппаратных функций динамических эмиссионных систем с учетом статических и динамических аберраций изображения.
Значительная часть работы посвящепа исследованию закономерностей формирования электронных изображений в эмиссионных системах разлагая тапок электростатических системах с идеальной и слабо парушеипой осевой сгаомтряеЗ;
зеркальных системах; системах, погруженных е слабое внешнее магнитное поле. Детально рассматривается динамика унгорения электронных пакетов под действием объемного заряда и устанаолпвается связь этого эффекта с временными характеристиками.
Все эти исследования проводятся на основе єдїїлого аберрационного подхода,
упомянутого выше. .
Большое впнмание в диссертации уделепо задаче синтеза (обратной задаче) электронной оптики изображающих систем. Применение развитого в работе аберрационного подхода в сочетании с общей методологией теория оптимальных процессов позволило разработать упноерсалі.нке итерационные методы численного расчета изображающих электронно-оптических систем с заранее заданными >;грактерзісі пками.
Цель работы. Осиоссая цель диссертационной работы состоит в теоретическом і численном исследовании физической каргнпы формирования изображении і эмиссионных алектрегшо-оптических системах и создании пз этой оспоие лрецшио'шых устойчивых и экономичных методой расчета статических и динамических эмкесионны: систем с заданными свойствами.
Научпая повизна результатов диссертационной работы заключается в следующем: 1. Разработан новый ушшерсалышй п устойчивый метод построенн пространственяо-времешшх аберрационных разложений пучков заряненных частиц произвольных (в том числе нестационарных) электромагнитных полях.
2. Детально исследованы свойства электронных изображений в эмиссионнь системах различных типов, в том числе, - системах с идеальной и слабо нарушение осевой симметрией; зеркально-линзовых системах; системах, погруженных в слабе магнитное поле.
Получены обобщения классических формул Арцпмовича-Рекпагеля Завойского-Фанченхо па случай электронного зеркала, Показано, что полев коррекция временной хроматической аберрации первого порядка в электронном зеркв
может быть осуществлена лишь локально в пограничном слое, прилегающем к области поворота.
Показано, что присутствие первой гармонии в иеосесимметричном потенциальном возмущении приводит к появлению временной дисторсіш, линейно зависящей от положения частицы на фотокатоде, а присутствие зторой гармоники - к анизотропным искажениям объекта.
Показано, что влияние сторонних стационарных п квазнстационарных магнитных полей на качестіїо изображения в осеснмметрпчных эмиссионных системах проявляется, прс;.тде всего, в появлении аберраций сдвига и комбинированных хроматических аберраций, зависящих от амплитуды перпендикулярной к оси симметрии компоненты магнитного поля и разброса осевых компонент начальных скоростей электронов.
-
Разработзн новый эффективный метод расчета возмущений потенциала ирп произвольных палых деформациях электродов, основанный на построении интегральных уравнений в вариациях и функции Грпяа. Метод позволяет явно связать геометрические свойства заряженных поверхностей (электродов) с электронно-оптическими характеристиками изображения.
-
Построена строгал аберрационная теория пространственно-временных аппаратных функций динамических эмиссионных систем с разверткой изображения. Получепы расчетные формулы, учитывающие совместный вклад статических н дшпмичеекзх аберраций в интегральные характеристики.
-
Впервые предложен аберрационный подход к проблеме оценки влияния кулоновского взаимодействия на временные характеристики эмиссионных систем, позволивший в явном виде построить нелинейное искажение временной гакялы, обусловленное действием объемного заряда, я исследовпть динамику упгарепия пикосекундных электронных импульсов.
-
Развит новілії подход х решению обратных задан (задач сппіегл) теории эмиссионных изображающих систем, оспозагшый па птіЕмепгпки современных методаз теории оптимальных процессов. Показано, что расчегпь-г огшгшлчн/с р;стрглг.'гсяг2п полей являются физически реализуемыми.
Научная обоснованность и достоверность полученных в диссертации теоретических результатов обусловлена тем, что все они получены на основе единого подхода, опирающегося ил общую теорию возмущений, и хорошо согласуются как с частными результатами других авторов, так и с результатами экспериментальных исследований опытных образцов приборов, разработанных по результатам расчетов.
Научная ч практическая ценность. В результате проведенных в диссертации исследований развит единый подход х теории эмиссионных изображающих систем и разработаны прецизионные и устойчивые методы расчета статических и динамических эмиссионных систем с заданными электронио-оптичесхими характеристиками.
На базе разработанных методов создано специализированное программно-методическое обеспечение, позволяющее практически полностью заменить натурное макетирование эмиссионных систем машинным моделированием. За период практической апробации указанного обеспечения в нескольких научво-исследоватслъскпх организациях страны по результатам расчетов создан ряд новых упшсальпых конструкций эмиссионных изображающих систем.
.Оспопные положения диссертации, выносимые па зашиту:
-
Устойчивый и экономичный метод построения аберрационных разложений траекторий и времени пролета заряженных частиц в произвольных (в том числе пестационариых) электромагнитных полях, обеспечивающий эффективный расчет пространственных и пространственно-временных аппаратных функций и ЧКХ с учетом статических и дниамичесхих аберраций изображения.
-
Интегральный метод расчета возмущений потенциала при малых вариациях границы расчетной области и граничных условий, обеспечивающий эффективное построение функции Грина для широкого класса граничных электродов и позволяющий явно связать малые деформации электродов с возмущениями электрошго-оптических параметров.
-
Метод численного решения задачи осевого синтеза эмиссионных изображающих систем, позволяющий исследовать экстремальные свойства электронно-оптических
спстем и паходнть оптимальные распределения полей по априори заданным ограничениям на характеристики электропного изображепия.
4. Теоретические а численные исследования пространственно-временных
аберрационных свойств изображающих систем, включая электростатические системы с
идеальной и слабо нарушенной осевой симметрией; зеркальные эмиссионные системы;
эмиссионный системы с комбинированными электростатическими и магнптныин
полями; дипаі.стгскЕе эмиссионные системы с разверткой изображения.
5. Внедрение комплекса разработанных методов и алгоритмов з
программно-методическое обеспечение для автоматизированного проектирования
эмиссионных электронно-оптических систем, позволяющее практически полностью
заменить натурное макетирование эмиссионных систем машинным моделированием.
Совокупность результатов її выводов, полученных в диссертации, может быть квалифицирована как решение актуальной научной проблемы, связанной с теоретическим и численным исследованием закономерностей формирования элехтроппых изображений в эмиссионных электронно-оптических системах, а также с разработкой и внедрением в практику проектирования эмиссионных изображающих систем универсальных, прецизионных п экономичных методов машинного моделирования.
Апробанчя работы. Основные результаты диссертации опубликованы в центральных научных журналах и сборниках/1-17; 19-23/, а также в монографии /18 /.переизданной в 1990 г. издательством "Academic Press" (США).
Результаты диссертации докладывались на Международных конгрессах по высокоскоростной фотографии и фотонкке (XIV -Москва, 1980г.; XVI - Страсбург, 19S4 г.; XIX - Лондон, 1991 г.); Всесоюзных семинарах по методам расчета электронно-оптических систем (VI - Рязань, 1979 г.; VII - Новосибирск, 1981 г.; Vm -Ленинград, 1986 г.; IX - Ташкент, 1988 г.; X - Львов, 1990 г.; Всесоюзной конфереяцыз "Обработка изображений и дистанционные исследования" (Новосибирск, 1934 г.); Всесоюзной конференции но электронной микроскопии (Сумы, 1982 г.); X Всесоюзно.1 научпо-техническей конференции по фотоэлехтронтши приборам (Ленинград, 1990 г.);
XV Всесоюзной научно-технической конференции "Высокоскоростная фотография, (роговика и метрология быстропротекающюс процессов" (Москва, 1991 г.); научных семинарах Института общей физики РАИ, Московского инженерно-физического института, Вычислительго центра СО РАН, Института математики СО РАН, НИИ прикладной физики, НИИ электронных приборов, Санкт-Петербургского Технического университета.
Объем и структура диссертации. Диссертация состоит из введения, семи глав, заключения и списка цитируемой литературы. Общий объем работы составляет 314 страниц, включая 232 страницы текста, 82 рисунха и 10 таблиц на 60 страницах и списка литературы из 257 наЕМсиований на 22 страшних.
