Устройство для управления формой и плотностью потока электронно-лучевой пушки

Изобретение относится к области электронной техники и может быть использовано в технологических электронно-лучевых установках совместно с электронно-лучевыми пушками, имеющими дополнительный управляющий электрод, находящийся под высоким потенциалом катода. Технический результат - расширение функциональных возможностей устройства, повышение его надежности и точности управления. В устройство для управления мощностью электронно-лучевой пушки, содержащее находящиеся под потенциалом земли генератор прямоугольных импульсов и регулятор, дополнительно вводится n высоковольтных изолирующих трансформаторов, идентичных первому, первичная обмотка которых близка к потенциалу земли, а вторичная находится под высоким потенциалом катода, сумматор, находящиеся под потенциалом земли n регуляторов, n управляемых фазосдвигающихся цепей и схему управления. Входная обмотка каждого изолирующего трансформатора подключена к выходу соответствующего ему регулятора таким образом, чтобы получить n+1 идентичных канала регулирования. Выход генератора подключен к входу первого канала регулирования непосредственно, к входу второго канала регулирования через первую управляемую фазосдвигающую цепь, к входу третьего канала регулирования через первую и вторую управляемую фазосдвигающие цепи и так далее. Выходы каналов регулирования подключены к входам сумматора, выход которого в свою очередь подключен к входу двухполупериодного выпрямителя. Управляющие выходы устройства управления подключены к управляющим входам управляемых фазосдвигающих цепей непосредственно и к управляющим входам регуляторов через схему управления, которая предназначена для компенсации взаимозависимости сигналов управления при установке заданных уровней выходного напряжения. 1 з.п. ф-лы, 3 ил.

 

Изобретение относится к области электронной техники и может быть использовано в технологических электронно-лучевых установках совместно с электронно-лучевыми пушками, имеющими дополнительный управляющий электрод, находящийся под высоким потенциалом катода.

Известно устройство (электронная пушка) с возможностью управления параметрами электронного луча (Заявка №43-26656, Япония. Электронная пушка. /МКИ H 01 J 3/02, Заявка 44-60843 от 31.07.69 г., публикация 14.07.1973 г.), в котором управляющее импульсное воздействие формируется генератором под потенциалом земли, а затем при помощи высоковольтного разделительного конденсатора прикладывается к промежутку катод-управляющий электрод, причем оба эти электрода присоединены к источнику высокого напряжения. Недостатком устройства является то, что реализуемый в нем способ развязки высоковольтных цепей электронного прожектора от схемы управления через высоковольтный разделительный конденсатор является недостаточно надежным. Резкие изменения напряжения в высоковольтных цепях, например при микропробоях, будут передаваться через разделительный конденсатор в схему управления, что повышает вероятность ее сбоев и выхода из строя.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является устройство для управления мощностью электронно-лучевой пушки высокого напряжения (Заявка №2928301, ФРГ. Устройство для управления мощностью высоковольтного электронного прожектора. /МКИ H 01 J 37/24, заявл. 13.07.79, опубл. 5.02.81). Устройство содержит находящиеся под земляным потенциалом регулятор и генератор прямоугольных импульсов. Для передачи данных импульсов на высокий потенциал используется высоковольтный изолирующий трансформатор, первичная обмотка которого заземлена, а вторичная обмотка, находящаяся под высоким потенциалом, подсоединена к двухполупериодному выпрямителю, выход которого, в свою очередь, через LC-фильтр подсоединен к промежутку катод-управляющий электрод. Данное устройство может использоваться для управления формой и плотностью потока электронно-лучевой пушки. Постоянное напряжение, формируемое устройством и прикладываемое к промежутку катод-управляющий электрод, изменяет условия фокусировки электронов у катода. Это, в свою очередь, ведет к изменению геометрии электронного потока и его плотности. Недостатком устройства следует считать его ограниченные возможности. Использование всего одного уровня управляющего напряжения в выходном сигнале не позволяет целенаправленно устанавливать заданную форму распределения плотности электронного потока.

Технический результат, достигаемый при реализации заявленного изобретения, заключается в расширении функциональных возможностей устройства, повышении его надежности и улучшении точности управления.

Указанный технический результат достигается тем, что в устройстве управления, содержащем находящиеся под потенциалом земли генератор прямоугольных импульсов и регулятор, высоковольтный изолирующий трансформатор, первичная обмотка которого близка к потенциалу земли, а вторичная находится под высоким потенциалом, и двухполупериодный выпрямитель, выход которого подсоединен к промежутку катод-управляющий электрод, согласно изобретению дополнительно вводится n высоковольтных изолирующих трансформаторов, идентичных первому (здесь n означает количество дополнительно формируемых каналов регулирования), первичная обмотка которых близка к потенциалу земли, а вторичная находится под высоким потенциалом катода, сумматор, находящиеся под потенциалом земли n регуляторов, n управляемых фазосдвигающих цепей и схему управления, при этом входная обмотка каждого изолирующего трансформатора подключена к выходу соответствующего ему регулятора таким образом, чтобы получить n+1 идентичных канала регулирования, выход генератора прямоугольных импульсов подключен ко входу первого канала регулирования непосредственно, ко входу второго канала регулирования через первую управляемую фазосдвигающую цепь, ко входу третьего канала регулирования через первую и вторую управляемую фазосдвигающие цепи и так далее, выходы каналов регулирования подключены ко входам сумматора, выход которого в свою очередь подключен к входу двухполупериодного выпрямителя, управляющие входы устройства управления подключены к управляющим входам управляемых фазосдвигающих цепей непосредственно и к управляющим входам регуляторов через схему управления, которая предназначена для компенсации взаимозависимости сигналов управления при установке заданных уровней выходного напряжения. В вариантном исполнении устройство дополнительно содержит второй сумматор и второй двухполупериодный выпрямитель, при этом каждый высоковольтный изолирующий трансформатор имеет находящуюся под потенциалом земли контрольную обмотку, выходы которых подключены к входам второго сумматора, выход второго сумматора подключен к входу второго двухполупериодного выпрямителя, а выход второго двухполупериодного выпрямителя подключен к дополнительному входу схемы управления, которая выполнена таким образом, что вырабатывает свои управляющие воздействия на основе сравнения уровней напряжения выходного сигнала с заданными входными воздействиями.

На фиг.1 изображена структурная схема устройства для управления формой и плотностью потока электронно-лучевой пушки. Устройство состоит из генератора прямоугольных импульсов 1, управляемых фазосдвигающих цепей 2-4, схемы управления 5, регуляторов 6-9, идентичных по параметрам высоковольтных изолирующих трансформаторов 10-13, сумматоров 14, 15 и двухполупериодных выпрямителей 16, 17. При этом входная обмотка каждого изолирующего трансформатора 10-13 подключена к выходу соответствующего ему регулятора 6-9 таким образом, чтобы получить n+1 идентичных канала регулирования, выход генератора прямоугольных импульсов 1 подключен к входу первого канала регулирования (Канал 1) непосредственно, к входу второго канала регулирования (Канал 2) через первую управляемую фазосдвигающую цепь 2, к входу третьего канала регулирования (Канал 3) через первую 2 и вторую 3 управляемые фазосдвигающие цепи и так далее, выходы каналов регулирования подключены к входам сумматора 14, выход которого в свою очередь подключен ко входу двухполупериодного выпрямителя 16, управляющие входы U_τ1, U_τ2-U_τn+1 устройства управления подключены к управляющим входам управляемых фазосдвигающих цепей 2 - 4 непосредственно, а управляющие входы U_E1, U_E2-U_En+1 устройства управления подключены к управляющим входам регуляторов 6-9 через схему управления 5, которая предназначена для компенсации взаимозависимости сигналов управления при установке заданных уровней выходного напряжения. В вариантном исполнении устройство дополнительно содержит второй сумматор 15 и второй двухполупериодный выпрямитель 17, при этом каждый высоковольтный изолирующий трансформатор имеет находящуюся под потенциалом земли контрольную обмотку, выходы которых подключены к входам второго сумматора 15, выход второго сумматора подключен к входу второго двухполупериодного выпрямителя 17, а выход второго двухполупериодного выпрямителя подключен к дополнительному входу схемы управления 5, которая выполнена таким образом, чтобы вырабатывать свои управляющие воздействия на основе сравнения уровней напряжения выходного сигнала с заданными входными воздействиями U_E1, U_E2-U_En+1.

На фиг.2 показаны диаграммы сигналов, поясняющие работу устройства в случае, когда оно содержит три канала регулирования и в соответствии с этим формирует в выходном сигнале три чередующихся уровня напряжения. Диаграммы U₁(t), U₂(t) и U₃(t) показывают форму сигналов на вторичных обмотках высоковольтных изолирующих трансформаторов, диаграмма U_Σ(t) показывает форму сигнала на выходе сумматора, а диаграмма U_вых(t) показывает форму этого сигнала после прохождения через двухполупериодный выпрямитель. Выходной сигнал U_вых(t) предназначен для управления формой и плотностью потока электронно-лучевой пушки и содержит три (по числу каналов регулирования) чередующихся уровня напряжения E₁, Е₂ и Е₃, значения которых определяются амплитудами A₁, А₂ и А₃ сигналов U₁(t), U₂(t) и U₃(t). Длительность τ₁ уровня напряжения E₁ определяется сдвигом фазы ϕ₁ сигнала U₂(t) относительно сигнала U₁(t), длительность τ₂ уровня напряжения Е₂ определяется сдвигом фазы ϕ₂ сигнала U₃(t) относительно сигнала U₂(t), при этом период повторения выходного сигнала T равен половине периода следования импульсов генератора прямоугольных импульсов.

На фиг.3 приведены графики распределения плотности электронного потока. Зависимости Q₁(t), Q₂(t) и Q₃(t) показывают распределение плотности потока по сечению электронного луча при подаче на управляющий электрод электронной пушки относительно катода напряжения, равного: а) U_вых=E₁, б) U_вых=E₂, в) U_вых=Е₃. График г) показывает усредненное за период T распределение плотности потока, которое получается при подаче на управляющий электрод выходного напряжения с выхода устройства.

Устройство работает следующим образом. Прямоугольные колебания типа меандр, формируемые генератором прямоугольных импульсов 1, поступают в первый канал регулирования (канал 1), где в соответствии с управляющим сигналом от схемы управления 5 происходит установка их амплитуды регулятором 6 и передача в виде двухполярных импульсов под высокий потенциал катода высоковольтным развязывающим трансформатором 10. Аналогично обрабатываются сигналы во всех остальных каналах регулирования. Различие заключается в том, что на выходе второго канала регулирования (канал 2) прямоугольные колебания будут сдвинуты по фазе на величину ϕ₁ относительно исходных и этот сдвиг задается управляемой фазосдвигающей цепью 2. На выходе третьего канала регулирования (канал 3) фазовый сдвиг ϕ₂ будет дополнительно определяться управляемой фазосдвигающей цепью 3 и так далее. Таким образом, на сумматор 14 с выходов каналов регулирования поступает n+1 двухполярных прямоугольных колебаний, имеющих одинаковый период следования, но отличающихся амплитудой и фазой. После сложения данных колебаний в сумматоре 14 и преобразования их к однополярному виду при помощи двухполупериодного выпрямителя 16 получается многоступенчатый выходной сигнал, в котором с периодом Т, равным половине периода колебаний на выходе генератора прямоугольных импульсов, чередуются последовательно n+1 уровней выходного напряжения. Длительность первой ступеньки напряжения определяется сдвигом фазы прямоугольных колебаний на выходе канала 2 относительно прямоугольных колебаний на выходе канала 1 и задается фазосдвигающей цепью 2. Длительность второй ступеньки напряжения определяется сдвигом фазы прямоугольных колебаний на выходе канала 3 относительно прямоугольных колебаний на выходе канала 2 и задается фазосдвигающей цепью 3 и так далее. Так как выходной сигнал получается суммированием n+1 прямоугольных колебаний, то изменение амплитуды хотя бы одного из сигналов, подаваемых на вход сумматора 14, приведет к изменению всех уровней напряжения в выходном сигнале. Функцией схемы управления 5 является реализация такого закона управления, чтобы компенсировать данную взаимозависимость сигналов. Так, например, при изменении сигнала на входе U_E1 устройства схема управления через регуляторы 6-9 должна таким образом установить амплитуды сигналов на входе сумматора 14, чтобы получить пропорциональное изменение в выходном сигнале только уровня первой ступени напряжения и компенсировать изменение остальных. При изменении сигнала на входе U_E2 устройства в выходном сигнале должен меняться уровень только второй ступени напряжения и так далее. В вариантном исполнении схема управления вырабатывает свое управляющее воздействие, сравнивая уровни выходного сигнала с заданными входными воздействиями. В этом случае сигнал, подобный выходному, формируется под потенциалом земли при помощи сумматора 15 и двухполупериодного выпрямителя 17, причем прямоугольные колебания на входы сумматора 15 подаются с выходов контрольных обмоток высоковольтных изолирующих трансформаторов 10-13. Введение такой отрицательной связи улучшает точность управления.

В качестве примера на фиг.2 показано формирование выходного сигнала в случае, если устройство содержит три канала регулирования. Соответственно, выходной сигнал U_вых(t) будет содержать три чередующихся уровня напряжения, величина которых определяется следующими соотношениями:

Длительность первой ступени напряжения τ₁ определяется сдвигом фазы ϕ₁, который задается первой управляемой фазосдвигающей цепью, а длительность второй ступени напряжения τ₂ определяется сдвигом фазы ϕ₂, который задается второй управляемой фазосдвигающей цепью. Чтобы компенсировать взаимозависимость сигналов, схема управления должна в данном случае реализовать следующий закон регулирования:

который получается решением системы уравнений (1). Здесь К определяет коэффициент передачи схемы от входа управления до выходной обмотки высоковольтного изолирующего трансформатора. При идентичности каналов регулирования

Подача управляющего сигнала U_вых(t), форма которого показана на фиг.2, на управляющий электрод электронной пушки приведет к тому, что за один период Т на образец будут действовать последовательно три импульса электронного потока (фиг.3.а, б, в), отличающихся формой распределения плотности энергии. Форма распределения потока каждого импульса определяется уровнем напряжения, прикладываемого к управляющему электроду, а его интенсивность - длительностью данного импульса за период, то есть его коэффициентом заполнения q=τ/T. При установке через предложенное устройство управления данных параметров индивидуально для каждого импульса появляется возможность эффективно управлять не только плотностью электронного потока, но и формой распределения плотности этого потока по сечению электронного луча, что и составляет основную цель изобретения. В качестве примера на фиг.3.г показано, как сложением трех импульсов можно получить распределение плотности потока, имеющее форму, близкую к прямоугольной. Аналогичным образом при достаточно большом числе каналов регулирования может быть получено распределение плотности потока любой заданной формы - треугольной, трапецеидальной, гауссовой и так далее.

1. Устройство для управления формой и плотностью потока электронно-лучевой пушки, содержащее находящиеся под потенциалом земли генератор прямоугольных импульсов и регулятор, высоковольтный изолирующий трансформатор, первичная обмотка которого близка к потенциалу земли, а вторичная находится под высоким потенциалом, и двухполупериодный выпрямитель, выход которого подсоединен к промежутку катод-управляющий электрод, отличающееся тем, что устройство дополнительно содержит n высоковольтных изолирующих трансформаторов, идентичных первому (здесь n означает количество дополнительно формируемых каналов регулирования), первичная обмотка которых близка к потенциалу земли, а вторичная находится под высоким потенциалом катода, сумматор, находящиеся под потенциалом земли n регуляторов, n управляемых фазосдвигающихся цепей и схему управления, при этом входная обмотка каждого изолирующего трансформатора подключена к выходу соответствующего ему регулятора таким образом, чтобы получить n+1 идентичных канала регулирования, выход генератора прямоугольных импульсов подключен к входу первого канала регулирования непосредственно, к входу второго канала регулирования через первую управляемую фазосдвигающую цепь, к входу третьего канала регулирования через первую и вторую управляемую фазосдвигающие цепи и так далее, выходы каналов регулирования подключены к входам сумматора, выход которого в свою очередь подключен к входу двухполупериодного выпрямителя, управляющие входы устройства управления подключены к управляющим входам фазосдвигающих цепей непосредственно, и к управляющим входам регуляторов через схему управления, которая предназначена для компенсации взаимозависимости сигналов управления при установке заданных уровней выходного напряжения.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что оно дополнительно содержит второй сумматор и второй двухполупериодный выпрямитель, а каждый высоковольтный изолирующий трансформатор имеет находящуюся под потенциалом земли контрольную обмотку, при этом выходы контрольных обмоток высоковольтных изолирующих трансформаторов подключены ко входам второго сумматора, выход второго сумматора подключен ко входу второго двухполупериодного выпрямителя, а выход второго двухполупериодного выпрямителя подключен к дополнительному входу схемы управления, которая выполнена таким образом, что при компенсации взаимозависимости сигналов она в дополнение к этому вырабатывает свои управляющие воздействия на основе сравнения уровней напряжения выходного сигнала с заданными входными воздействиями.