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申请/专利权人：大理大学

摘要：本发明涉及一种利用电‑光‑电转换技术实现的电子落点位置检测装置，主要包括：电光转换特殊传像光纤束，光纤固定管，CCD或CMOS图像传感器，固定壳体等；特殊传像光纤束的光纤在接收电子端面自上而下，从左到右均匀地紧密排列，当有电子入射到特殊光纤阵列的电子入射端面上时，电子将进入到特殊光纤阵列的某些光纤端部的电子光转换陷阱中，进入到电子光转换陷阱中的电子轰击电子光转换陷阱表面的荧光粉，使荧光粉受激发光，经特殊传像光纤传送到CCD或CMOS图像传感器中，接收到光的图像传感器单元和电子的落点位置相对应；上述的电子落点位置检测装置检测精度高，准确性好，适用于需要检测电子落点位置的仪器仪表中。

主权项：1.一种电子落点位置检测装置，包括：特殊传像光纤束10，光纤固定管1，CCD或CMOS图像传感器7，固定壳体8；其特征在于：特殊传像光纤束中带有电子光转换陷阱的一端是电子接收端，特殊传像光纤束中的光纤的电子接收端自上而下、自左而右均匀地紧密排布在电子入射的平面上，每根电光转换特殊传像光纤接收光的一端加工有电子光转换陷阱；将每根特殊传像光纤分别放置在光纤固定管中，将正六棱柱管集总后用硅胶9或其它材料进行灌封处理，固化或半固化整体结构对特殊光纤束进行保护，在特殊传像光纤束的出光端连接CCD或CMOS图像传感器，壳体用在特殊传像光纤束和CCD或CMOS图像传感器轴向周围，在壳体和光纤束之间采用灌封工艺填充或其它方式将壳体和传像光纤束进行整体紧固；电子光转换陷阱位于特殊传像光纤接收电子一端，开口朝向电子入射方向，形状为锥形或半球形凹槽，凹槽表面涂覆有高灵敏度的荧光粉层，荧光粉层表面涂有保护层；特殊传像光纤的纤芯4的直径大于包层3和涂层2的厚度，纤芯的直径占整体光纤直径的12以上。

全文数据：电子落点位置检测装置技术领域本发明属于电子位置检测技术领域，特别涉及一种电-光-电转换方式的电子落点位置检测技术。背景技术现代电子仪器仪表中经常用到电子落点位置检测，其检测的准确度和精确度决定了电子仪器仪表的准确度和精确度。例如，电子漂移式电场强度传感器，这种传感器利用前向运动的电子在一定距离范围内受电场作用产生的偏移量来进行电场强度的检测，电子的偏移量是通过电子的落点位置检测来实现的，电子落点位置检测的准确度和精确度直接决定了该电场传感器的准确度和精确度。经典的电子位置检测有荧光屏法、电极法、乳胶照相法、云室检测法、多丝正比室，漂移室和CCD、CMOS图形图像平面列阵等，荧光屏检测法常常用于模拟显示，难以进行存储和记录，不能适应现代检测设备的需要；电极法无法实现弱电子流的检测；云室法和乳胶照相法虽然可以准确检测到少量、低能的电子，这两种方法不能进行实时检测且设备笨重复杂不符合现代检测技术的需要；多丝正比室和漂移室虽然能够实时精确测量并方便存取电子经过的位置，但是其结构复杂、价格高昂，体积较大，不适宜于用在普通的检测仪器仪表中；用CCD、CMOS图形图像平面列阵来检测电子的方法可以准确、较高精度地发现少量的低速电子，但是他们加在每个单元上的偏置电压会影响电子落点的位置，从原理上会造成测量误差，不适用于有高精度要求测量。近年来，学者对电子落点位置检测进行了研究，提出了一些新的检测方法：我国某机构研制的真空微电子电场传感器中使用了电子落点位置检测，在检测电子落点位置时，利用电子入射到的每个电极上形成的电流大小来确定电子的落点位置，这种方法无法检测出电子数量较少的落点，检测的精度低，无法适应现代电子设备对于弱电子落点位置检测的需求。我国某机构研制的数字式电子荧光扫描电压传感器中使用了电子落点位置检测，在检测电子落点位置时，利用真空玻璃管中的荧光粉层，使电子入射到荧光粉层上，荧光粉受电子轰击后受激发光，光线穿过真空玻璃管照射在玻璃管外的特殊传像光纤束端面上，光纤接收到的光强对应相对位置处入射电子量的大小，接收到光的光纤与电子的落点位置相对应，特殊传像光纤束将光传送到CCD或CMOS图像传感器进行光位置检测。这种方法实现了电-光-电转换，实现对电子落点位置的检测，其主要缺点是：1.荧光粉层受激发的光需透过玻璃层才能达到特殊传像光纤，光损失很大，对弱电子的检测能力不足，检测范围窄。2.由于到达荧光粉层的电子会使到达位置及其周围的磷光物质发光，综合光的散射效果，造成邻近一定范围的特殊传像光纤都能接收到光，后续的数据处理工作量大，且定位精确度不高。发明内容为了提高电子落点位置检测的灵敏度、准确度和精确度，本发明提出了一种利用电-光-电转换技术的电子落点位置检测装置，主要包括：端部带有电子光转换陷阱的电光转换特殊传像光纤阵列[11]，光纤固定管[1]，CCD或CMOS图像传感器[7]，固定壳体[8]等；端部带有电子光转换陷阱的电光转换特殊传像光纤是一种纤芯直径比较大，包层和保护涂层都比较薄的特殊光纤，用于实现电-光转换并传输光信号。特殊传像光纤接收光的一端加工有电子光转换陷阱[5]或[6]，电子光转换陷阱是把光纤端部加工成锥形或半球形的凹槽，在凹槽表面涂覆高灵敏度的荧光粉层和荧光保护层实现的，用于捕获电子并将电子入射信息转换为光信息；光纤固定管[1]是一种正多棱管状保护器件或者内部呈蜂窝状通孔的固定器件，蜂窝直径需要与光纤外径尺寸相配合，用于保护和固定光纤的相对位置，采用单根正六棱柱管进行光纤保护的，根据使用条件决定是否需要将正六棱柱管集总后用硅胶或其它材料进行灌封处理，固化或半固化整体结构[9]保护；CCD或CMOS图像传感器用于将光纤传输来的光信号转换成电信号，方便后续进行数据处理和存储等；壳体是用于在外围固定和保护特殊传像光纤阵列的器件，根据装置的使用条件可以选择是否在壳体和光纤阵列之间采用浸渍工艺填充或其它方式将壳体和特殊传像光纤阵列进行整体紧固。该装置的基本工作原理是，特殊传像光纤束中的光纤自上而下，从左到右均匀地紧密呈阵列方式排列，光纤阵列带有电子光转换陷阱的一端是电子入射端面，当有电子入射到特殊光纤阵列的入射端面上时，电子将进入到特殊光纤阵列的某些光纤端部的电子光转换陷阱中，进入到电子光转换陷阱中的电子轰击电子光转换陷阱表面的荧光粉，使荧光粉受激发光，荧光粉受激发出的光被限制在接收到电子的特殊传像光纤中，经特殊传像光纤传送到CCD或CMOS图像传感器中，接收到光的图像传感器单元和电子的落点位置相对应，接收到的光强度和入射电子强度相对应。本发明的优点在于：1.实现了电-光-电方式的电子入射强度和入射落点的综合检测。2.入射电子的光转换被限制在电子落点对应的光纤之内，不会干扰邻近光纤使邻近光纤也收光，检测的准确度高。3.采用光纤阵列方式检测和传像，使得电子落点检测的数字化定位便捷，后续的数据处理和分析工作量小。4.采用光纤阵列方式检测和传像，光纤端面的面积对应的分辨率，检测的精确度高。5.随着光纤技术、CCD和CMOS图像技术和荧光技术的发展，这种电子落点检测装置的检测精度和检测范围可进一步提高。6.通过不同的光纤连接方式，可以离散电子落点，为后续设备的信号接收和处理提供便利条件。附图说明图示中，1是固定用六棱管或蜂窝管，2是涂覆保护层，3是玻璃包层，4是纤芯，5是锥形电子光转换陷阱，6是半球形电子光转换陷阱，7是CCD和CMOS图像传感器，8是壳体，9是硅胶填充物，10光纤保护壳体，11特殊传像光纤束阵列。图1是特殊传像光纤的电子接收端顶部示意图。图2是带有圆锥形电子光转换陷阱的特殊传像光纤的侧视图。图3是带有半球形电子光转换陷阱的特殊传像光纤的侧视图。图4是电子落点位置检测装置的电子接收端面视图。图5是电子落点位置检测装置的电子接收端面视图局部示意图。图6是带有分段保护的电子落点位置检测装置侧视图。图7是光纤全防护的电子落点位置检测装置侧视图。图8是具有落点离散功能的电子落点位置装置的电子接收端面视图。图9是具有落点离散功能的电子落点位置检测装置侧视图。具体实施方式下面结合附图及实施例对本发明的具体结构、工作原理及工作过程做进一步的说明，本发明并不局限于此，凡是对本发明技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的保护范围中。本发明设计的一种电子落点位置检测装置，包括壳体，K根带有电子光转换陷阱的特殊传像光纤，CCD或CMOS图像传感器；所有特殊传像光纤带有电子光转换陷阱的一端对齐排列成一个平面，成为电子接收端面；根据装置的具体工作条件，为保护这种相对较为脆弱的特殊传像光纤，可以选择适当方法对光纤进行保护：1.在每根特殊传像光纤外围加装薄管壁的正六棱柱管；2.将特殊传像光纤置于特制的蜂窝保护槽内；3.将组装好的光纤进行适当固定后采用灌封或涂覆工艺对光纤实施硅胶或其它材料进行固化，以保护和固定光纤的相对位置，或者将上述方法相结合进行光纤保护或不保护；特殊传像光纤的特殊之处在于：1.每根特殊传像光纤的电子接收端都带有一个电子光转换陷阱，电子光转换陷阱是把光纤的玻璃包层连同纤芯部分从端面开始刻出一个锥形或半球形的凹槽，凹槽表面涂有在凹槽表面涂覆高灵敏度的荧光粉层和荧光保护层；2.光纤最外层的涂覆保护层和玻璃保护层都比较薄，纤芯直径较大，纤芯直径占据了特殊传像光纤直径的12以上；特殊传像光纤的外围采用N个壳体对光纤进行分段保护支撑如图6所示、整体保护支撑如图7所示或不保护；光纤的电子接收端面和CCD或CMOS图像传感器之间的连接端面之间可以是平行连接，如图6，图7所示，也可以是发散连接，如图8所示；光纤端面和CCD或CMOS传感器的连接可以采用灌封工艺进行固化保护，其中，K是大于等于1的自然数；N是大于等于0的整数。采用圆锥形电子光转换陷阱，取K＝19618×12，即有196根特殊传像光纤进行电子光信号转换和传输；取N＝1，即采用一个整体壳体对光纤束和连接关系进行整体保护，电子接收端面和图像传感器之间采用平行连接，光纤集采用灌封保护，其接收电子端面如图4，图5所示，其侧视图如图7所示，即成为本发明的实施例1；当有电子落到电子接收端面，电子被某些特殊传像光纤的圆锥形电子光转换陷阱[5]捕获，进入电子光转换陷阱的电子轰击荧光粉层，荧光粉层受激发光，光信号被限制在该电子光转换陷阱对应的光纤中进行传输，当光信号到达CCD或CMOS图像传感器[7]，则CCD或CMOS图像传感器将该光信号转换成电信号，光纤的所在位置即为电子的落点位置，根据收到光信号的图像传感器的单元的编码，光纤和图像传感器单元的对应关系，即可判断具体的电子落点位置。采用球形电子光转换陷阱，K＝420，即有42021×20根特殊传像光纤进行电子光信号转换和传输；N＝1，即采用一个部分壳体对光纤束的电子接收端进行部分保护，电子接收端面和图像传感器之间采用发散连接，光纤集采用灌封保护，其电子接收端面如图8，电子接收端面局部情况如图5所示，其侧视图如图9所示，即成为本发明的实施例2；当有电子落到电子接收端面，电子被某些特殊传像光纤的半球形电子光转换陷阱[6]捕获，进入电子光转换陷阱的电子轰击荧光粉层，荧光粉层受激发光，光信号被限制在该电子光转换陷阱对应的光纤中进行传输，当光信号到达CCD或CMOS图像传感器[7]，则CCD或CMOS图像传感器将该光信号转换成电信号，光纤的所在位置即为电子的落点位置，根据收到光信号的图像传感器的单元的编码，光纤和图像传感器单元的对应关系，即可判断具体的电子落点位置。这本实施例中，充分利用了光纤的柔韧性，使得电子的接收面通过光纤投影放大到另一个平面上，不仅实现了对电子的捕获，光电转换，还实现了对落点的离散和放大，随着光纤技术的发展，越来越细的光纤被开发利用，这种方式不仅能不断提高检测的精度还能降低对CCD或CMOS图像传感器的要求。上述实施例中的电子光转换陷阱的两种形式可以根据需要进行选择即可成为不同的实施例，如实施例1的锥形电子光转换陷阱改为半球形电子光转换陷阱即成为实施例3，光纤的接收端面和图像传感器的两种连接方式根据需要进行选择也可成为不同的实施例，如将其中的平行连接改为发散连接即为实施例4……，即电子光转换陷阱的形式，光纤的接收端面和图像传感器的连接方式，单体光纤的保护方式，光纤集的保护和固定方式都可以根据实际需要进行选择而成为本发明的不同实施例。本发明装置采用带有电子光转换陷阱的特殊传像光纤，CCD或CMOS图像传感器，保护壳体等综合实现了电子落点位置的检测，利用电子光转换陷阱实现了电子捕获和电子落点位置信号的电光转换，并将落点信号限定在一根光纤之内，实现了高准确度、高精度电子落点位置的检测，通过橡胶，硅胶等电子三防灌封保护和壳体保护相结合实现装置的保护，使该装置适合在比较恶劣的比如存在较多粉尘，飞絮，振动的工作环境中使用；该装置结构简单，可靠性高，准确度好，精确度高，适用范围广。

权利要求：1.一种电子落点位置检测装置，包括：特殊传像光纤束[10]，光纤固定管[1]，CCD或CMOS图像传感器[7]，固定壳体[8]；其特征在于：特殊传像光纤束中带有电子光转换陷阱[5]的一端是电子接收端，特殊传像光纤束中的光纤的电子接收端自上而下、自左而右均匀地紧密排布在电子入射的平面[11]上，每根电光转换特殊传像光纤接收光的一端加工有电子光转换陷阱；根据装置的使用条件选择是否需要将每根特殊传像光纤分别放置在光纤固定管中，根据使用条件决定是否需要将正六棱柱管集总后用硅胶[9]或其它材料进行灌封处理，固化或半固化整体结构对特殊光纤束进行保护；在特殊传像光纤束的出光端连接CCD或CMOS图像传感器；壳体用在特殊传像光纤束和图像传感器轴向周围，根据装置的使用条件，选择是否在壳体和光纤束之间采用灌封工艺填充或其它方式将壳体和传像光纤束进行整体紧固。2.如权利要求1中所述的电子落点位置检测装置，其特征是，电子光转换陷阱[5或6]位于特殊传像光纤接收电子一端，开口朝向电子入射方向，形状为锥形或半球形凹槽，凹槽表面涂覆有高灵敏度的荧光粉层，荧光粉层表面涂有保护层。3.如权利要求1中所述的电子落点位置检测装置，其特征是，特殊传像光纤的纤芯[4]的直径大于包层[3]和涂层[2]的厚度，纤芯的直径占整体光纤直径的12以上。4.如权利要求1中所述的电子落点位置检测装置，其特征是，特殊传像光纤束[10]的电子接收端[11]到光电图像传感器[7]的连接可以是直线方式，也可以是曲线方式将光纤的图像传感器一侧进行发散后传给光电图像传感器。5.如权利要求1中所述的电子落点位置检测装置，其特征是，光纤固定管[1]是一种正多棱管状保护器件或者内部有多个蜂窝状通孔的一体式固定器件，正多棱管和单个蜂窝的内接圆直径与光纤外径尺寸相配合。

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