Усилитель света (электронно-оптический преобразователь)

Этот прибор, изобретенный около 72-75 лет тому назад, в настоящее время используется, с одной стороны, как состав­ная часть ряда телевизионных приборов, а, с другой стороны, как самостоятельный прибор, трансформирующий лучистую энергию из одной спектральной области в другую и позво­ляющий увеличить яркость наблюдаемой картины.

На рис. 6.5 изображена схема устройства простейшего пре­образователя. Вакуумный сосуд, имеющий форму двух встав­ленных друг в друга стаканов, откачивается до высокого вакуума. Полупрозрачный фотокатод и флюоресцирующий экран наносятся внутри сосуда на донья стаканов, как это показано на рисунке. Между катодом и экраном приклады­вается разность потенциалов в 10-15 кв. При освещении фотокатода он становится источником электронов. Фотоэлектроны под дей­ствием ускоряющего поля устремляются по направлению к экрану, бомбар­дируют его и вызывают свечение. Если на поверх­ность фотокатода спроек­тировано изображение ка­кого-либо предмета, то фотоэлектронная эмиссия из каждой точки катода будет пропорциональна ее освещенности. Возникшее электронное изображение будет находиться в строгом соответствии с распределением света и тени на фотока­тоде и после перенесения на экран вновь превратится в свето­вое изображение.

Рис. 6.5. Схематическое изображение прос­тейшего электронно-оптического преобразо­вателя.

В таком виде описанная процедура, разумеется, лишена большого смысла, так как вторичное оптическое изображение будет просто ухудшенным по разрешению, контрастности и цвету изданием первичного изображения. Если, однако, первич­ное изображение было получено в лучах, невидимых глазом, например инфракрасных, то рассматриваемый прибор действи­тельно сыграет роль преобразователя и превратит невидимое глазом изображение в светящуюся картину на экране. Другая возможность состоит в том, что промежуточное электронное изображение можно с большим удобством, чем оптическое, подвергать быстрой развертке, что важно в телевизионной технике. Наконец, промежуточное электронное изображение может быть усилено, что открывает перспективы усиления яркости светового изображения, т. е. дает решение задачи, принципиально неразрешимой в рамках обычной оптики.

Остановимся на вопросе о качестве изображения в пре­образователе света.

Разрешающая сила картины, получаемой на экране, и в этом приборе оказывается ограниченной из-за действия хроматиче­ской аберрации. Разброс в начальных энергиях фотоэлектронов в соответствии с уравнением Эйнштейна для фотоэффекта достигает в видимой области спектра 0,5-1,0 эв; в результате точечный источник электронов на катоде изобразится в виде пятнышка на экране. Траектории электронов в однородном поле представляют собой параболы, и простой расчет приводит к формуле для диаметра кружка размытия на экране, вполне аналогичной формуле (6.4):

(6.5)

Здесь l - расстояние между катодом и экраном, U₀ и U имеют такие же значения, что и в формуле (6.4). При l = 1 см, U₀ = 1 B и U = 10⁴ B точка на катоде изобразится на экране в виде пятна диаметром 0,4 мм, т. е. разрешение картины получается низким. Значительно лучшие результаты получаются при исполь­зовании электронно-оптической фокусировки. Теперь диаметр кружка размытия, отнесенный к катоду, определяется по фор­муле

(6.6)

Здесь Е₀ - напряженность электрического поля вблизи катода. При реальных значениях U₀ и Е₀ (для простой системы с однородным полем Е₀ = U₀/l разрешающая сила прибора с фокусировкой оказывается во много раз более высокой. В частности, при U₀ = 1 B и Е₀ = 10⁴ B/см величина равна 1/1000 мм. В этом случае разрешающая сила оказывается ограниченной уже только зернистостью экрана и другими факторами, не связанными с электронно-оптическими эффек­тами.

Примером электронно-оптической системы, используемой для получения изображения в преобразователях, может служить система электродов, изображенная на рис. 6.6. Помимо резкого повышения разрешающей силы использование электронной оптики позволяет получить на экране уменьшенное изображе­ние картины, спроектированной на катод. В этом случае яркость изображения возрастает в соответствии с увеличением плотности электронного тока, которая пропорциональна квад­рату линейного уменьшения. Размеры картины на экране затем могут быть снова увеличены до исходных с помо­щью обычной оптики без существенной потери в яркости. Таким образом, даже такая сравнительно простая система приводит в конечном счете к выигрышу в яркости.

Несравненно большее усиление яркости может быть достиг­нуто в каскадных системах «контактного типа». На рис. 6.7 схематически изображено устройство подобного рода, содер­жащее два промежуточных каскада усиления. Здесь буквой К₁ изображен первичный полупрозрачный фотокатод, буквами К₂ и К₃ - промежуточные, также полупрозрачные фотокатоды,

Рис. 6.6. Электронно-оптический преобразователь с уменьшенным изобра­жением.

Рис. 6.7. Трехкаскадный усилитель света. К₁, К₂, К₃, - полупрозрачные фотокатоды; М₁, М₂, М₃ - полупрозрачные экраны.

нанесенные на одну сторону тонких прозрачных мембран. На другой стороне каждой мембраны нанесены флюоресци­рующие экраны М₁ и М₂; третий экран нанесен на торцевом стекле трубки. Электронное изображение переносится с каждого катода на экран с помощью подходящей электронной линзы. Оптическое изображение, возникающее на экране, создает электронное изображение на катоде, который находится в оп­тическом контакте с экраном.

Разъясним, каким образом может быть получено усиление света в такой системе. Рассмотрим с этой целью один элемент каскадного усилителя света (рис. 6.8). Пусть фоточувствитель­ность катода составляет ампер на люмен, светоотдача экрана - люменов на ватт и разность потенциалов, прило­женная между катодом и экраном U вольт. Если приходящий на элемент электронный ток равен i₁ а уходящий – i₂, то усиле­ние имеет место при

(6.7)

Но, как легко понять,

(6.8)

Следовательно, для уси­ления должно быть вы­полнено условие:

(6.9)

Рис. 6.8. Элемент каскадного усилителя света.

Возьмем численный пример: для хорошего полупрозрачного сурьмяно-цезиевого фотокатода величина достигает 4x10^-5 а/лм, для полупрозрачного экрана численные значения составляют около 20 лм/вт. Тогда увеличение интенсивности будет достигнуто при U > 2500 B, а, например, при U = 20 кB на каждом каскаде общее усиление в приборе, изображенном на рис. 6.7, должно быть порядка 8³, т. е. 500 (фактиче­ски в приборе имеются три каскада усиления: два проме­жуточных и один, образуемый первичным катодом К₁ и ко­нечным экраном М₃).

В настоящее время каскадные усилители света строятся с общим усилением до 10⁵ при рабочем напряжении 10 кB на каскаде. Наличие нескольких каскадов, разумеется, снижает разрешающую силу прибора, но использование достаточно тонких мембран и мелкозернистых экранов позволяет получать в четырехкаскадной системе разрешение 20 - 30 штрихов на миллиметр. Заметим, что для ликвидации «оптической обрат­ной связи», т. е. обратной засветки излучением экрана преды­дущего фотокатода, применяется покрытие поверхности экрана тонким слоем металла, прозрачным для быстрых электронов и непрозрачным для света.

Усиление света в 10⁴-10⁵ раз позволяет наблюдать на выходном экране прибора вспышки света, вызванные отдельными фотонами. Дальнейший рост коэффициента усиления не сопровождается получением какой-либо дополнительной информации об изучаемом объекте, хотя и может оказаться полезным в некоторых случаях.

За последние годы в качестве усилительного каскада в преобразователях света все чаше применяются так называе­мые «микроканальные пластины». Они изготавливаются из стекла и имеют множество сквозных каналов диаметром в десятки микрон. Электронное изображение с первичного фото­катода переносится на поверхность пластины, обращенную к фотокатоду. Электронный поток элемента изображения, попадая на входное отверстие данного канала и проникая внутрь, нарастает в интенсивности за счет процесса вто­ричной электронной эмиссии со стенок канала. При раз­ности потенциалов в несколько киловольт, приложенных к пластине (точнее - между ее проводящими наружными поверхностями), легко получается тысячекратное усиление первичного фототока. Разрешение микроканального каскада определяется, разумеется, числом каналов на единицу площади.

Усилители света находят применение в астрономии, ядерной физике и физике плазмы. В первом случае применение таких систем открывает широкие возможности при фотографирова­нии слабо светящихся объектов, например далеких внегалакти­ческих туманностей. Во втором случае сочетание усилителя света с люминесцирующим кристаллом позволяет наблю­дать следы отдельных заряженных микрочастиц внутри кристалла.

Использование усилителей света в физике плазмы оказы­вается особенно полезным в тех случаях, когда идет речь об исследовании процессов, быстро меняющихся во времени. Применение электронного затвора позволяет выделить из стре­мительно чередующейся последовательности картин излучаю­щей плазмы те, которые представляют наибольший интерес. Техника усиления света развита еще в недостаточной сте­пени, но в принципиальном отношении рассматриваемая проблема принадлежит к числу немногих основных задач оптики. Если микроскоп, расширяя возможности человеческого глаза, позволяет наблюдать очень малые объекты, телескоп - весьма удаленные, то усилитель света предназначен для изуче­ния самосветящихся объектов, которые невидимы просто потому, что они посылают в глаз слишком мало света. Решение первых двух задач было найдено в рамках обычной геомет­рической оптики, решение третьей задачи лежит за пределами возможностей световой оптики и было осуществлено только в результате использования электронной оптики.