лазерный электронно-лучевой прибор

Формула изобретения

1. Лазерный электронно-лучевой прибор, содержащий электронный прожектор с катодом для формирования пучка электронов, лазерный экран, включающий лазерную мишень из полупроводниковой пластины, фокусирующую систему для фокусировки электронного пучка на лазерной мишени, отклоняющую систему для отклонения этого пучка и охлаждающую систему для охлаждения лазерной мишени, отличающийся тем, что катод соединен, по существу, с потенциалом земли, а лазерная мишень соединена с высоким положительным потенциалом.

2. Лазерный электронно-лучевой прибор по п. 1, отличающийся тем, что охлаждающая система соединена, по существу, с потенциалом земли.

3. Лазерный электронно-лучевой прибор по п. 1 или 2, отличающийся тем, что охлаждающая система изолирована от лазерной мишени с помощью электрического изолятора.

4. Лазерный электронно-лучевой прибор по п. 3, отличающийся тем, что лазерный экран электронно-лучевого прибора включает прозрачную диэлектрическую подложку, которая образует указанный изолятор и к одной из торцевых поверхностей которой прикреплена лазерная мишень, а охлаждающая система соединена с периферийной частью противоположной торцевой поверхности подложки.

5. Лазерный электронно-лучевой прибор по п. 4, отличающийся тем, что охлаждающая система соединена с указанной периферийной частью поверхности подложки через металлический фланец.

6. Лазерный электронно-лучевой прибор по п. 5, отличающийся тем, что указанный металлический фланец соединен со вторым металлическим фланцем, впаянным в колбу электронно-лучевого прибора.

7. Лазерный электронно-лучевой прибор по одному из пп. 4-6, отличающийся тем, что прозрачная подложка выполнена в виде сапфирового диска.

8. Лазерный электронно-лучевой прибор по одному из пп. 1-7, отличающийся тем, что высоковольтный ввод для подачи высокого положительного потенциала соединен с лазерной мишенью через проводящий цилиндр, который выполнен из немагнитного материала и расположен соосно с продольной осью электронно-лучевого прибора.

9. Лазерный электронно-лучевой прибор по п. 8, отличающийся тем, что край проводящего цилиндра, контактирующий с лазерной мишенью, снабжен по меньшей мере одной контактной пружиной.

10. Лазерный электронно-лучевой прибор по п. 8 или 9, отличающийся тем, что он дополнительно содержит диэлектрический цилиндр, который имеет больший диаметр, чем проводящий цилиндр, окружает часть проводящего цилиндра, соседнюю с лазерной мишенью, и установлен на прозрачной диэлектрической подложке со стороны лазерной мишени соосно с проводящим цилиндром.

11. Лазерный электронно-лучевой прибор по одному из пп. 6-10, отличающийся тем, что на внутреннюю поверхность колбы электронно-лучевого прибора между высоковольтным вводом для подачи высокого положительного потенциала и вторым металлическим фланцем нанесено диэлектрическое покрытие для предотвращения поверхностных разрядов.

12. Лазерный электронно-лучевой прибор по одному из пп. 1-11, отличающийся тем, что внешняя поверхность колбы прибора вокруг высоковольтного ввода покрыта изолирующим компаундом.

13. Способ возбуждения экрана лазерного электронно-лучевого прибора, включающий формирование электронного пучка и направление его на какой-либо элемент лазерной мишени для возбуждения лазерного излучения, отличающийся тем, что электронный пучок формируют с помощью электронного прожектора с катодом, находящимся, по существу, под потенциалом земли, а на лазерную мишень подают высокий положительный потенциал.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к электронным и квантовым приборам, а именно к лазерным электронно-лучевым приборам (ЭЛП), используемым, например, в проекционных телевизионных устройствах для формирования изображений на экранах большой площади.

Проекционные телевизионные устройства на основе обычных электронно-лучевых приборов с люминесцентным экраном широко используются для формирования изображений на проекционных экранах площадью до нескольких квадратных метров. Однако размер изображения на проекционном экране таких телевизионных устройств ограничивается неспособностью люминесцентных экранов проекционных ЭЛП формировать требуемые световые потоки с высокой интенсивностью, что затрудняет получение телевизионных изображений с необходимой яркостью и контрастностью.

Эффективный путь улучшения параметров проекционных телевизионных устройств связан с использованием лазерных ЭЛП (см. , например, патент США 3558956, Н 01 J 29/18, 1971 г.).

В отличие от обычного ЭЛП источником излучения в лазерном ЭЛП является не слой люминофора, а лазерная мишень, представляющая собой тонкую полупроводниковую монокристаллическую пластину, на обе параллельные поверхности которой нанесены отражающие свет покрытия. Со стороны падения на пластину электронного пучка обычно наносится непрозрачное зеркальное металлическое покрытие, а с противоположной стороны - полупрозрачное зеркальное покрытие. Зеркальные поверхности образуют оптический резонатор, а полупроводниковая пластина между ними выполняет функции активной среды лазера с электронным возбуждением. Лазерная мишень прикрепляется к подложке из прозрачного диэлектрического материала, играющей роль выходного окна лазерного ЭЛП, а также теплоотвода для лазерной мишени. Подложка обычно изготовлена из сапфира, обладающего высокой теплопроводностью. Лазерная мишень вместе с подложкой образует экран лазерного ЭЛП (лазерный экран).

Пучок электронов, проникая в полупроводниковую пластину через металлическое покрытие, индуцирует спонтанное световое излучение. При поверхностной плотности тока пучка на лазерной мишени, равной пороговому значению, мощность индуцированного светового излучения компенсирует потери в оптическом резонаторе и элемент мишени, на которую падает пучок электронов, становится источником лазерного излучения. В процессе многократного прохождения светом резонатора происходит сужение его частотного спектра, в результате чего излучаемый свет является монохроматическим. Лазерный свет излучается через полупрозрачное зеркальное покрытие практически перпендикулярно поверхности полупроводниковой пластины и выходит из ЭЛП через сапфировое выходное окно.

В патенте США 5280360, H 04 N 3/227, 1994 г., описан лазерный ЭЛП, имеющий катод для формирования пучка электронов, лазерный экран, включающий лазерную мишень в виде полупроводниковой пластины, установленной на торцевой поверхности прозрачной диэлектрической подложки, фокусирующую систему для фокусировки пучка электронов на лазерной мишени и систему охлаждения лазерной мишени, соединенную с боковой поверхностью подложки.

Способ возбуждения экрана лазерного ЭЛП, описанный в вышеуказанном патенте, заключается в формировании электронного пучка и направлении его на какой-либо элемент лазерного экрана для возбуждения лазерного излучения.

Для требуемого ускорения электронного пучка лазерная мишень должна находиться под высоким положительным потенциалом (50-70 кВ) по отношению к катоду. В известном лазерном ЭЛП катод соединен с источником высокого отрицательного потенциала, в то время как лазерная мишень заземлена. Такая схема подачи ускоряющего напряжения дает возможность легко соединить с лазерным экраном систему охлаждения лазерной мишени, находящейся под потенциалом земли.

Однако подача высокого потенциала на катод крайне усложняет электрические схемы, соединяемые с катодом и с находящимися вблизи катода электродами. К таким схемам относятся, например, цепи накала, видеоусилители, источники постоянных напряжений и др. Усложнение таких электрических схем обусловливается необходимостью принятия специальных мер по электроизоляции этих схем относительно земли и приводит к увеличению затрат на изготовление и стоимости аппаратуры на основе таких лазерных ЭЛП.

Целью изобретения является создание лазерной ЭЛП и способа возбуждения ее экрана, в которых подача высокого ускоряющего напряжения осуществляется так, чтобы обеспечить возможность заземления электрических схем, соединяемых с катодом ЭЛП, и тем самым добиться их упрощения и снижения стоимости ЭЛП.

Поставленная цель изобретения достигается тем, что в лазерном ЭЛП, содержащем электронный прожектор с катодом для формирования пучка электронов, лазерный экран, включающий лазерную мишень из полупроводниковой пластины, фокусирующую систему для фокусировки электронного пучка на лазерной мишени, отклоняющую систему для отклонения этого пучка и охлаждающую систему для охлаждения лазерной мишени, катод электронного прожектора соединен по существу с потенциалом земли, а лазерная мишень соединена с высоким положительным потенциалом.

Охлаждающая система предложенного ЭЛП соединена по существу с потенциалом земли.

От лазерной мишени охлаждающая система изолирована с помощью электрического изолятора.

Лазерный экран ЭЛП включает прозрачную диэлектрическую подложку, которая образует указанный изолятор и к одной из торцевых поверхностей которой прикреплена лазерная мишень, а охлаждающая система соединена с периферийной частью противоположной торцевой поверхности подложки.

Соединение охлаждающей системы не с боковой поверхностью подложки, как в известных лазерных ЭЛП, а с ее торцевой поверхностью, противоположной лазерной мишени, позволяет использовать диэлектрическую подложку лазерной мишени в качестве средства, обеспечивающего электрическую изоляцию последней от охлаждающей системы и тем самым возможность подачи высокого положительного потенциала на лазерную мишень при заземленной охлаждающей системе. При этом боковая поверхность подложки, в отличие от известных конструкций, не имеет металлического покрытия.

Охлаждающая система соединена с периферийной частью поверхности подложки, противоположной лазерной мишени, предпочтительно через металлический фланец.

Указанный металлический фланец предпочтительно соединен со вторым металлическим фланцем, впаянным в колбу электронно-лучевого прибора.

Прозрачная подложка предпочтительно выполнена в виде сапфирового диска.

Подача высокого потенциала на лазерную мишень предпочтительно осуществляется через высоковольтный ввод, соединенный с лазерной мишенью через проводящий цилиндр, который выполнен из немагнитного материала и расположен соосно с продольной осью ЭЛП.

Край проводящего цилиндра, контактирующий с лазерной мишенью, предпочтительно снабжен по меньшей мере одной контактной пружиной.

Предложенный лазерный ЭЛП также может включать диэлектрический цилиндр, который имеет больший диаметр, чем проводящий цилиндр, окружает часть проводящего цилиндра, соседнюю с лазерной мишенью, и установлен на прозрачной диэлектрической подложке со стороны лазерной мишени соосно с проводящим цилиндром.

На внутреннюю поверхность колбы ЭЛП между высоковольтным вводом и вторым металлическим фланцем предпочтительно нанесено диэлектрическое покрытие для предотвращения поверхностных разрядов.

Внешняя поверхность колбы ЭЛП вокруг высоковольтного ввода предпочтительно покрыта изолирующим компаундом.

Задача изобретения решается также тем, что в способе возбуждения экрана лазерной ЭЛП, включающем формирование электронного пучка и направление его на какой-либо элемент лазерной мишени для возбуждения лазерного излучения, электронный пучок формируют с помощью электронного прожектора с катодом, находящимся по существу под потенциалом земли, а на лазерную мишень подают высокий положительный потенциал.

На чертеже схематически показан пример выполнения лазерного ЭЛП согласно изобретению.

Показанный на чертеже лазерный ЭЛП содержит электронный прожектор 1, установленный в горловине стеклянной колбы 2 ЭЛП и включающий катод 3 для формирования электронного пучка, соединенный по существу с потенциалом земли, и модулятор 4 для управления током этого пучка, т.е. его модуляции, соединенный с источником видеосигнала (не показан). Катод 3 и модулятор 4 имеют обычную конструкцию, используемую в известных лазерных ЭЛП.

Напротив электронного прожектора 1 установлен лазерный экран 5, включающий лазерную мишень 6, приклеенную к торцевой поверхности 7а прозрачной подложки 7, выполненной в виде диска из сапфира. Лазерная мишень 6 представляет собой тонкую полупроводниковую монокристаллическую пластину, на обе плоскопараллельные поверхности которой нанесены отражающие свет покрытия. На одну поверхность пластины нанесено непрозрачное металло-диэлектрическое покрытие, а на противоположную, прикрепленную к прозрачной подложке 7, - полупрозрачное диэлектрическое покрытие.

На внешней поверхности горловины колбы 2 установлены фокусирующая система 8 электромагнитного типа для фокусировки электронного пучка на лазерной мишени 6 и отклоняющая система 9 электромагнитного типа, включающая катушки (не показаны) для вертикального и горизонтального отклонения сфокусированного электронного пучка.

Периферийная часть торцевой поверхности 7b подложки 7, противоположной лазерной мишени 6, по своему периметру герметично присоединена к металлическому фланцу 10, который в свою очередь герметично соединен со вторым металлическим фланцем 11, герметично впаянным в стеклянную колбу 2 ЭЛП. Фланцы 10 и 11 могут быть изготовлены из ковара и соединены между собой с помощью пайки или сварки. Соединение подложки 7 с фланцем 10 может быть выполнено с помощью паяного шва 7с. Снаружи к фланцу 10 механически присоединен, например, с помощью сварки фланец 12 охлаждающей системы. В качестве охлаждающей системы может быть использована охлаждающая система известной конструкции, например система, имеющая канал для прохождения через него хладагента.

Фланец 10 и соединенная с ним через фланец 12 охлаждающая система, как и катод 3, соединены по существу с потенциалом земли.

В боковой поверхности колбы 2 на расстоянии от фланца 11 размещен высоковольтный ввод 13 для подачи на лазерную мишень 6 положительного потенциала относительно земли. Высоковольтный ввод 13 представляет собой металлический штырь, впаянный в стекло колбы 2. Конец этого штыря, находящийся с наружной стороны колбы 2, соединяется с источником высокого положительного потенциала (порядка 30-70 кВ). Для предотвращения электрических разрядов ввод 13 с наружной стороны колбы 2 залит компаундом 14. На внутреннюю поверхность колбы 2 между вводом 13 и фланцем 11 нанесено диэлектрическое покрытие 15 для предотвращения поверхностных разрядов. Это покрытие может быть выполнено из окиси хрома. Расстояние от высоковольтного ввода 13 до металлического фланца 11 выбирают таким образом, чтобы не допустить возникновения электрического пробоя между этими элементами. Конец штыря, находящийся внутри колбы 2, соединен с концом цилиндрического экрана 16 из немагнитного проводящего материала, расположенного соосно с продольной осью ЭЛП. По окружности другого конца экрана 16 установлены контактные пружины 17, обеспечивающие надежный электрический контакт экрана 16 с металлическим покрытием на поверхности лазерной мишени 6. Длина цилиндрического экрана 16 примерно равна расстоянию от высоковольтного ввода 13 до лазерной мишени 6. Диаметр цилиндрического экрана 16 составляет не менее диаметра лазерной мишени 6, чтобы не создавать помех электронному пучку, направляемому к лазерной мишени 6.

Для предотвращения пробоя между экраном 16 и фланцем 10 на прозрачной подложке 7 вокруг лазерной мишени 6 соосно с продольной осью ЭЛП установлен диэлектрический цилиндр 18, имеющий больший диаметр, чем экран 16. Таким образом, часть экрана 16, ближайшая к фланцу 10, находится внутри диэлектрического цилиндра 18.

Лазерный ЭЛП работает следующим образом. Электронный прожектор 1 формирует пучок 19 электронов, ток которого зависит от напряжения видеосигнала, подаваемого на модулятор 4 электронного прожектора 1. Благодаря тому, что катод 3 ЭЛП находится под потенциалом земли, к модулятору 4 можно подключить стандартные видеоусилители с заземленным общим проводом, аналогичные используемым в телевизионных устройствах на обычных проекционных ЭЛП с люминесцентным экраном, без применения специальных мер по их электрической изоляции. Другие цепи, обычно подключаемые к электронной пушке (источник напряжения накала и т.п.), также могут быть обычными схемами с заземленным общим проводом, используемыми в цепях ЭЛП.

На лазерную мишень 6 через высоковольтный ввод 13 подают высокое положительное напряжение относительно земли. При этом металлический фланец 10 надежно изолирован от этого напряжения диэлектрической сапфировой подложкой 7, а также частью стеклянной колбы 2 с покрытием 15, диэлектрическим цилиндром 18 и компаундом 14.

Пучок электронов 19 под действием высокого ускоряющего напряжения, приложенного через высоковольтный ввод 13 и экран 16 к лазерной мишени 6, движется по направлению к лазерной мишени 6. Через электромагнитную катушку фокусирующей системы 8 пропускают ток, обеспечивающий магнитную острую фокусировку электронного пучка 19 на лазерной мишени 6. При магнитной фокусировке магнитное поле, создаваемое фокусирующей системой 8, образует магнитную линзу (условно показана штриховой линией), которая собирает расходящийся пучок электронов, создаваемый электронным прожектором 1, в узкий сходящийся пучок.

В катушки отклоняющей системы 9 подают сигналы строчной и кадровой развертки пилообразной формы. Магнитные поля электромагнитных катушек отклоняют электронный пучок 19 в горизонтальном и вертикальном направлении, обеспечивая формирование телевизионного растра, аналогично тому, как это происходит в известных электронно-лучевых приборах. Уровень излучения элемента экрана 5 пропорционален поверхностной плотности тока, создаваемой электронным пучком 19, которая зависит в свою очередь от напряжения видеосигнала, подаваемого на модулятор 4 электронного прожектора 1. Синхронизированная подача сигналов развертки и видеосигнала позволяет сформировать телевизионное изображение, которое проецируется из лазерного ЭЛП на внешний проекционный экран (не показан).

Охлаждающая система охлаждает лазерную мишень 6 до заданной температуры, что позволяет уменьшить пороговую плотность тока лазерной мишени 6 и увеличить уровень светового излучения ЭЛП. Поскольку охлаждающая система соединена с металлическим фланцем 10, находящимся под потенциалом земли, и изолирована от высокого положительного напряжения, ее конструкция также может быть стандартной. Использование сапфира в качестве материала подложки 7 позволяет обеспечить эффективное охлаждение лазерной мишени 6 благодаря высокой теплопроводности сапфира при низкой температуре.

Таким образом, соединение охлаждающей системы не с боковой поверхностью подложки 7, как в известных лазерных ЭЛП, а с ее торцевой поверхностью, противоположной лазерной мишени 6, позволяет использовать диэлектрическую подложку 7 в качестве средства, обеспечивающего надежную электрическую изоляцию лазерной мишени 6 от охлаждающей системы и тем самым возможность подачи высокого положительного потенциала на лазерную мишень 6 при заземленной охлаждающей системе. При этом катод 3 также находится под потенциалом земли, что, как указывалось выше, обеспечивает упрощение электрических схем, подключаемых к ЭЛП, и тем самым снижение стоимости аппаратуры.

Рассмотренная выше конструкция лазерного ЭЛП с магнитными фокусировкой и отклонением электронного пучка приведена только в качестве примера. В устройстве и способе согласно изобретению могут быть использованы любые известные способы формирования, фокусировки и отклонения электронных пучков, применяемые в электронно-лучевых приборах и других подобных устройствах. Могут быть также использованы лазерные мишени различных типов.