книги / Проектирование электронно-лучевых приборов

размеры рабочей части, координаты центров отклонения и значения предельных углов отклонения, желательные величины

(ограничения на значения углов наклона профилей в зоне со­ членения с экраном, форма и размеры перехода к горловине и т. п.);

значения предельных величин избыточного давления наружной среды в процессе изготовления, испытаний и эксплуатации при­ бора;

физические характеристики материалов баллона (стекла, ке­ рамики и т. п.) и включений;

максимальное значение температуры в процессе термоваку­ умной обработки;

дополнительные сведения, отражающие особые требования к механическим характеристикам баллона.

Как видно из приведенного перечня сведений, ТЗ на баллон имеет более конструктивный характер, чем ТЗ на ЭОС, в связи с чем проектирование баллона проще и более доступно для алгоритмизации и автоматизации. Поскольку после формирова­ ния ТЗ на узлы их проектирование осуществляется автономно и имеет различный характер, дальнейшее рассмотрение целесо­ образно вести по отдельности для ЭОС и для баллона.

Эскизное проектирование ЭОС. На рис. 2.1 приведена схема процесса эскизного проектирования ЭОС, который начинается при наличии ТЗ на ЭОС и включает следующие процедуры.

Процедура 1. Принятие решения о возможности разделения ЭОС на функциональные элементы и выбор одного из методов структурного проектирования (если разделение возможно): а — разделение невозможно; б — использование архива данных об известных вариантах конструкции ЭОС (полное заимствование структуры или интерполяция значений параметров структуры по

моделей (коэффициенты аберраций, распределения и плотности

Процедура 13. Анализ варианта схемы (включая методы, ал­ горитмы и программы численного моделирования, если таковые

П р и м е ч а н и е . При принятии решения о возврате к .предыдущим этапам проектирования используется информация о количестве и содержании неудачных попыток .построения варианта принципиальной схемы ФЭ.

Процедура 15. Изготовление макетов ЭЛП в соответствии со структурной схемой ЭОС и принципиальными схемами ФЭ.

Процедура 16. Экспериментальные исследования макетов для определения соответствия ЭОС требованиям ТЗ.

Процедура 17 Принятие решения об удовлетворительности схемы ЭОС: а — удовлетворяет; б — возврат к проектированию *ФЭ; в — возврат к структурному проектированию ЭОС.

Успешный выход из процедуры 17 завершает эскизное про­ ектирование ЭОС, результатом которого является ее структур­ ная схема и набор принципиальных схем ФЭ.

Следует отметить, что схема, представленная на рис. 2.1, является укрупнен­ ной: например, такие блоки, как 2, 8, 10, 13, 15, 16, имеют достаточно сложную структуру, а выявление отрицательных результатов в блоках 3, 14, 17 связано с накоплением информации о путях поиска, приведших к этим результатам. Это позволяет при многократных неудачных попытках сформировать обоснованные требования на корректировку ТЗ или сформировать «задание на изобретение», т. е. конкретизировать техническое противоречие, мешающее решать проектную

.задачу. Преодоление этого противоречия возможно путем поиска нового (в смыс­ ле патентной чистоты) технического решения, определяющего изменения в струк­ туре ЭОС (новые ФЭ) или в конструкции ФЭ.

Примерами изменений в структуре ЭОС могут служить использование в ЭОС осцнллографнческих ЭЛП квадрупольных и скрещенных линз, использование в ЭОС цветных кинескопов планарного расположения электронных пушек и т. п. Примером изменений в конструкции ФЭ может служить использование для элек­ тростатического отклонения в высокочастотных ЭЛП систем типа «бегущая вол­ на». Следует отметить, что такие изменения в пракгике проектирования ЭЛП до­ статочно редки: как правило, необходимого эффекта удается достичь изменением конфигурации и расположения электродов, а также управляющих потенциалов •ФЭ, формирующих распределение поля, воздействующего на электронный пучок.

Однако формирование «заданий на изобретение» является дополнительным преимуществом описываемой методики проектирования, поскольку это дает воз­ можность использования известных методов стимулирования технического твор­ чества [25] или автоматизации поиска новых технических решений [26], для большинства из которых формирование «задания на изобретение» является клю­ чевым этапом, во многом определяющим успех.

Особенностью описываемой схемы процесса эскизного проек­ тирования ЭОС является выделение процедуры структурного про­ ектирования, которая фактически всегда имеет место, но не всегда осознается разработчиками ЭЛП. Основное содержание структур­ ного проектирования — распределение «ресурсов» выделенных ЭОС в целом, между ее функциональными элементами так, чтобы обеспечить возможность их электронно-оптического согласования. Для этого нужно иметь возможность связывать электронно-опти­ ческие характеристики (фокусные расстояния, положения фокусов, увеличения и т. д.) с величинами ресурсов, к которым обычно можно отнести осевую протяженность и максимальные радиальные размеры ФЭ, число управляющих потенциалов, диапазоны их изменения и т. п. Указанные взаимосвязи могут иметь интуитив­ ный характер (при эвристическом проектировании), представ­ ляться аналитическими (упрощенными) или алгоритмическими

(траекторный анализ) моделями, а также устанавливаться в про­ цессе проектирования (при использовании процедуры информаци­ онного поиска с интерполяцией по значениям, взятым из известных проектных вариантов), — эти возможности показаны на рис. 2.1

(процедуры 1 и 2).

Ход структурного проектирования зависит от того, какой ФЭ и какие характеристики ЭОС считаются наиболее важными для проектируемого прибора. Например, при проектировании ЭОС цветного кинескопа можно начать с определения центров отклоне­ ния магнитных отклоняющих систем (исходя из заданных разме­ ров рабочей части и предельного угла отклонения), затем по этим данным определить их примерные осевые и радиальные раз­ меры. Это дает возможность, исходя из заданной максимальной длины ЭОС, определить длину промежутка, на котором должны разместиться электронная пушка и линза. Дальнейший ход струк­ турного проектирования определяется возможностями использова­ ния различных управляющих потенциалов и стремлением получить размер пятна, соизмеримый с шагом отверстий в цветоделитель­ ной маске, при минимально возможном значении угла схождения пучка на экране (в особенности при больших углах отклонения). Более подробно методы структурного проектирования в примене­

Результаты структурного проектирования дают основную ин­ формацию для формирования ТЗ на проектирование функцио­ нальных элементов (процедура 4). Проектирование ФЭ, как отме­ чено выше, также может осуществляться одним из альтернативных способов — от автоматического до чисто эвристического синтеза варианта принципиальной схемы ФЭ. Построенные варианты принципиальных схем подвергаются теоретическим и эксперимен­ тальным исследованиям. Здесь необходимо обратить внимание на целесообразность замены натурных экспериментов численными

Рис. 2.2. Схема макета для исследования харак­ теристик электронной линзы:

гх — изменяемая координата центра отклонения, А—В — пределы ее изменения; а. Р — углы отклонения до и после линзы

везде, где это возможно. Сложность постановки экспериментов по* определению характеристик отдельных ФЭ обусловлена тем, что* такие эксперименты возможны, как правило, только на специ­ ально разработанных разборных электронно-оптических установ­ ках, в то время как макеты ЭЛП обычно позволяют исследовать. лишь результирующие характеристики ЭОС в целом.

Исключением можно считать эксперименты с использованием прецизионных калиброванных теневых сеток с размером отверстии и перемычек порядка 10 мкм_ Например, интересная методика экспериментального исследования электронных, линз может быть построена на основе использования отклоняющих систем для. формирования объекта для линзы. На рис. 2.2 приведена структурная схема ма­ кета ЭЛП, содержащего: две отклоняющие системы, расположенные последова­ тельно вдоль оптической оси, исследуемую линзу, калиброванную теневую сетку и люминесцентный экран. Исследование линзы проводится с помощью электрон­ ного пучка, входящего в нее с углом а. При этом положение источника г х сов­ падает с центром отклонения, положение которого можно изменять в широких, пределах (примерно на промежутке А — В), подбирая потенциалы отклоняющих, систем.

На первом этапе измерения изображения теневой сетки проводятся при вы­ ключенной линзе: последовательно изменяя потенциалы на отклоняющих систе­ мах, находят зависимость угла а и положения центра отклонения от этих по­ тенциалов (для упрощения один из потенциалов может быть зафиксирован).

На втором этапе на линзу подается фокусирующий потенциал и проводнтсят ряд измерений при тех же значениях отклоняющих потенциалов, что и в первом, измерении. Измеряя изображение теневой сетки на экране с помощью элемен­ тарных геометрических построений (см. рис. 2.2), можно получить зависимостьугла р на выходе линзы от угла а на входе, что дает возможность определить угловое увеличение линзы и другие электронно-оптические характеристики.

Достоинством описанной методики является то, что линза исследуется в условиях, максимально приближенных к условиям ее эксплуатации в проекти­ руемом приборе: отличие заключается лишь в наличии теневой сетки и второй: отклоняющей системы.

Аналогичным образом могут исследоваться и варианты конструкции элек­ тронной пушки. При этом теневая сетка располагается в эквипотенциальном про­ странстве анода, и расходящийся лучок на выходе пушки, проходя через нее,, направляется прямо на экран прибора (без дополнительной фокусировки).

В этом случае информация об электронно-оптических характеристиках пушки по­ лучается из измерений теней «прутков» сетки, и промежутков между ними. В обоих случаях возможна автоматизация обработки результатов измерений на базе использования кодировщика графической информации для ввода в ЭВМ координат изображения сетки с фотографий, полученных в процессе эксперимен­ та. Решающую роль в постановке таких экспериментов играет точность изготов- -ления теневых сеток, которая обеспечивается благодаря использованию методов фотолитографии (см. § 5.2), позволяющих не только гарантировать требуемую однородность сетки и соответствие заданным размерам, но и маркировать отдель­

ные «прутки» и т. п.

Экспериментальные исследования макетов ЭЛ П '(процедура 77) позволяют вынести окончательное решение об удовлетворительно­ сти результатов эскизного проектирования ЭОС и перейти к тех­

ническому проектированию.

Техническое проектирование ЭОС. После успешного заверше­ ния этапа эскизного проектирования начинается техническое про­ ектирование или конструирование, т. е. реализация принципиаль­ ной схемы ЭОС в виде конкретной конструкции как некоторого сложного жестко закрепленного набора электродов, форма и взаимное расположение которых могут при подаче на них соответ­ ствующих потенциалов обеспечивать распределение поля, предпи­ санное принципиальной схемой, и тем самым осуществлять фор­ мирование электронного пучка и необходимые операции управле­ ния его положением, размерами поперечного сечения и распреде­ лением плотности тока в этом сечении.

По форме конструирование ЭОС достаточно четко регламенти­ ровано общеобязательными нормами стандартов ЕСКД, а по со* держанию представляет малоизученный творческий процесс, основными этапами которого можно считать:

предварительный выбор (из некоторого унифицированного на­ бора) деталей, реализующих принципиальную схему, и назначе­ ние их рабочих размеров;

конструирование арматуры ЭОС и выбор технологии сборки; окончательное конструирование деталей ЭОС с учетом всех

особенностей сборки и изготовления деталей.

Подробно конструирование ЭОС будет рассмотрено в гл. 4. Особенности проектирования баллонов ЭЛП. Баллон относится

к узлам, состоящим из одного функционального элемента, поэто­ му, как отмечалось выше, ТЗ на этот узел отличается подроб­ ностью и конкретностью, а этапы эскизного и технического про­ ектирования целесообразно рассматривать совместно.

На рис. 2.3 приведена схема процесса проектирования баллона

Процедура 9. Принятие решения о необходимости оптимизации конструкции: а — да; б — нет.

Процедура 10. Оптимизация конструкции по заданному крите­ рию (например, по весу) с учетом ограничений на размеры и прочность.

Процедура 11. Принятие решения об использовании алгорит­ мов назначения допусков на размеры баллона: а — да; б — нет»

Процедура 12. Назначение допусков: а — с использованием ал­ горитмов; б — эвристическое.

Процедура 13. Принятие решения об использовании численных гметодов для уточненной о.ценки прочности: а — да; б — нет.

Процедура 14. Определение параметров разбиения конструк­ ции баллона конечно-элементной сеткой.

Процедура 15. Принятие решения об удовлетворительности раз­ биения: а — да; б — нет.

Процедура 16. Уточненная оценка прочности предложенного ^варианта конструкции баллона с учетом возможных сочетаний

.нового варианта после многократных неудачных попыток. Процедура 18. Изготовление конструкторской документации

:на баллон.

Выход из процедуры 18 завершает техническое проектирова­ ние баллона (на рис. 2.3 штриховой линией показана условная граница между этапами эскизного и технического проектирова­ ний).

Сравнение схем на рис. 2.1 и 2.3 показывает определенное ^сходство процессов проектирования ЭОС и баллона, однако меж­ ду ними имеются и значительные различия:

1. Отсутствие этапа структурного проектирования и сущест­ венно меньшая свобода выбора проектных вариантов позволяют алгоритмизовать процесс проектирования баллона в большей сте­ пени, чем это возможно для ЭОС. Роль эвристических проектных процедур при этом становится незначительной, а их использова­ ние свидетельствует чаще всего о недостаточной квалификации разработчика.

2. В отличие от проектирования ЭОС, вплоть до конца техни­ ческого проектирования баллона фактически исключена возмож­ ность экспериментальной проверки вариантов его конструкции, поэтому, с одной стороны, возрастает роль численных методов ♦•оценки прочности, а с другой — численные эксперименты прово­ дятся на всех этапах проектирования. В частности, численное моделирование позволяет избежать ошибок при назначении до­ пусков на размеры баллона. Несмотря на то, что аналогичные методы обоснования допусков могут быть использованы и при

.проектировании ЭОС, здесь их роль возрастает: отклонения от номинальных значений размеров ЭОС приводят к ухудшению

числительную. При проектировании конкретного изделия разра­ ботчик в зависимости от специфики задачи может выбрать более или менее автоматизированный путь ее решения, но при этом набор входных данных и результатов имеет один и тот же состав, что позволяет возвращаться и повторять решение по другому пути до тех пор, пока будет найдено удовлетворительное решение или будут испробованы все пути и получен отрицательный результат (см. рис. 2.1 и 2.3).

Описание вычислительных процедур имеет стандартную фор­ му, подробно описанную в § 5.2, а их содержание полностью опре­ деляется прикладными программами или пакетами программ, используемыми для реализации этих процедур.

Диалоговые процедуры описываются с помощью специально­ го аппарата сценариев, представляющих собой последователь­ ность диалоговых эпизодов с возможными ссылками на вычисли­ тельные эпизоды. Диалоговый эпизод состоит из набора кадров, каждый из которых представляет форму и содержание информа­ ции, выводимой на экран терминального устройства ЭВМ, и ука­ заний на возможные переходы между ними. Таким образом, сце­ нарий дает лишь каркас возможного диалога, а конкретная последовательность кадров и содержание диалога могут опреде­ ляться разработчиком ЭЛП в зависимости от ситуации: он может повторить некоторые расчеты с измененными данными, записать результаты расчета нескольких вариантов, чтобы сравнить их, пропускать некоторые этапы вычислений или, наоборот, возвра­ щаться к ним и т. п. Подробно возможности диалогового режима проектирования раскрыты в § 5.2.

Определяя очередность автоматизации проектных процедур, следует исходить из соображений ее возможности и актуальности. Первой стадией автоматизации является разработка и внедрение диалоговой процедуры, где все решения принимает разработчик, а ЭВМ лишь получает результаты его действий и имеет возмож­ ность фиксировать их. В этом случае с течением времени стати­ стический анализ принятых разработчиком технических решений может выявить алгоритмы, которыми он пользуется, даже не осо­ знавая этого. Наиболее выгодна автоматизация тех проектных процедур, содержание которых составляет поиск и сопоставление информации, представленной массивом объектов; каждый из этих объектов характеризуется значениями нескольких параметров.

математическое моделирование вариантов конструкций узлов и функциональных элементов, позволяющее резко сократить объем натурных экспериментов и выявить взаимосвязь и количественную зависимость между теми параметрами, которые зачастую вообще не поддаются экспериментальному исследованию (например, рас-