Фотоелектронні прилади
Фотопомножувач - електровакуумний прилад, що перетворює оптичне випромінювання (ультрафіолетове, видиме і інфрачервоне) в електричний сигнал з наступним його посиленням і що складається з фотокатода, з динодною помножувальною системою і анода (мал. 1). Перетворення оптичного випромінювання в електричний сигнал здійснюється фотокатодом в результаті емісії електронів з поверхні деяких напівпровідникових матеріалів, що знаходяться у вакуумі, при опроміненні їх оптичним випромінюванням (зовнішня фотоемісія або зовнішній фотоефект).
Мал. 1 Схема фотопомножувача.
Фотоелемент - електровакуумний (чи газонаповнений) прилад, перетворюючий оптичне випромінювання в електричний сигнал і що складається з фотокатода і анода. На відміну від фотоелектронних помножувачів (ФЕП), фотоелементи не мають помножувальної системи диноду, а тому не мають властивості посилення потоку електронів, що вилітають з фотокатода, при використанні ефекту вторинної емісії. Проте існує спосіб посилення фотоструму фотоелемента. Він заснований на наповненні балона фотоелемента інертним газом (зазвичай аргоном) і створенні в нім несамостійного розряду в результаті іонізації газу, що відбувається при русі електронів що вилітають з фотокатода під дією світла, до анода. Ефект газового посилення у газонаповнених фотоелементів починає проявлятися при напрузі більше 50 В. При напрузі близько 240 В коефіцієнт газового посилення у різних приладів може досягати значень Кг =6..10 . До газонаповнених фотоелементів відносяться фотоелементи серії ЦГ.
Діапазон спектральної чутливості фотоелементів визначається типом використовуваних в них фотокатодів. Основні параметри і характеристики фотоелементів майже такі ж, як у фотопомножувачів, але приведені до входу першого диноду.
Дисектор - передавальна телевізійна трубка, в якій електронне зображення, що утворюється потоком електронів, що вилітає з фотокатода, розгортається відносно нерухомого отвору (щілини). У основу фізичного принципу дії і конструкції дисектора покладено використання наступних явищ:
перетворення оптичного зображення, спроектованого на фотокатод в електроне зображення на основі явища зовнішнього фотоефекту;
просторове перенесення електронного зображення під впливом прискорюючого електричного поля;
послідовна (поелементна) просторова розгортка електронного зображення за допомогою тієї, що фокусує і відхиляє систем з метою формування вихідного сигналу зображення;
посилення вихідного сигналу зображення на основі вторинної електронної емісії.
Конструкція дисектора (мал. 2) є скляна ціліндрична колба, що складається з двох секцій, : секції перенесення і секції підсилення. У першій секції відбуваються перетворення оптичного зображення в електронне і просторове перенесення електронного зображення від фотокатода, нанесеного на внутрішній стороні торцевої поверхні колби, і його переміщення в двох напрямах відносно отвору діафрагми. В секції множення розташовуються диноди і колектор, на якому збираються електрони після їх посилення динодиой системою. Фокусуючі і відхиляючі катушки виготовляються в єдиній конструкції, званою фокусуючою і відхиляючою системою (ФВС), і поставляются окремо від дисектора.
Дисектор відноситься до передавальних телевізійних трубок так званої миттєвої дії, величина вихідного сигналу у яких по закінчені часу, що перевищує постійну часу приладу, при незмінному рівні освітленості на фотокатоді залишається постійною. Це є одним з найсерйозніших недоліків дисекторів (низький рівень вихідного сигналу), що обмежують сфери їх застосування. Здолати його стало можливим завдяки використанню принципу накопичення сигналу.
Накопичення сигналу (заряду) дозволяє отримати вихідний сигнал, пропорційний не лише рівню освітленості фотокатода (як це має місце у дисектора), але і інтервалу часу між двома послідовними зчитування однієї і тієї ж ділянки зображення (елементу розкладання). Чим більше цей час (його називають часом накопичення), тим вище вихідний сигнал при одному і тому ж рівні освітленості фотокатода. Реалізація цього принципу здійснена у передавальних телевізійних трубок з накопиченням заряду на мішені. До цієї групи трубок відносяться суперортикони, відикони і супервідикони.
Мал.2 Схема дисектора
1 – напівпрозорий фотокатод; 2 – прискорюючий електрод;
3 – діафрагма з отворо; 4 – диноди вторинногоелектроного помножувача;
5 – колектор; 6 – відхиляюча система;7 – фокусуюча катушка.
Суперортикон - передающая телевізійна трубка з перенесенням зображення і його розгорткою пучком повільних електронів, в якій електронне зображення накопичується і прочитується на протилежних сторонах накопичувальної мішені.
Основна ідея роботи суперортикону (мал. 3) заснована на використанні принципу модуляції створюваного електронним прожектором постійного по щільності електронного потоку (електронного променя) інформаційним електроним потоком, що утворюється внаслідок зовнішньої фотоемісії фотокатода при його освітленні. При цьому вказана модуляція здійснюється не безпосередньо, а через проміжний носій - діелектрик (плівка скла товщиною близько 5 мм), званий мішенню.
Мал. 3 Схема суперортикону.
Одним з недоліків суперортикону є те, що він має високий рівень шумів вихідного сигналу із-за великого рівня постійної складової струму променя, а також невигідного, з точки зору їх сприйняття, розподілення шумів. Оскільки в суперортиконі максимальний сигнал відповідає рівню темного ("електричний негатив"), то і шуми мають максимальне значення тоді, коли передається слабке світлове зображення. Природно, що спостереження слабкого оптичного зображення на тлі великих шумів буде погане.
Цей недолік усувається в суперортиконах, що працюють в режимі ізоконого прочитування (ізокон), у яких відеосигнал створюється не за рахунок зворотного електронного променя, а за рахунок розсіяних електронів, що утворюються у мішені у момент комутації. Причому число розсіяних електронів пропорційне глибині потенційного рельєфу мішені, в тому числі освітленості фотокатода. Отже, полярність сигналу в ізоконах зворотна полярності сигналу на виході суперортикону і рівень шумів при передачі слабких оптичних сигналів менший, ніж при передачі світлих ділянок зображення. У зрівняні з суперортиконом рівень шуму в ізоконі при передачі чорного в 5 .. 6 разів нижче, що забезпечує передачу зображень за допомогою ізоконів при освітленостях 10-2 .. 10-4 лк.
Перетворення оптичного випромінювання в електричний сигнал в передавальних телевізійних трубках може здійснюватися також на основі внутрішнього фотоефекту. При цьому слід зазначити, що висока квантова ефективність фоторезисторів і фотодіодів, з яких виготовляються напівпровідникові фоточутливі мішені, дозволяє робити досить чутливі передавальні телевізійні трубки малих геометричних розмірів. До цієї групи передавальних телевізійних трубок відносяться відікони.
Відікон - передавальна телевізійна трубка з фотопередавальною мішенню, в якій електронне зображення, що виникло в товщі напівпровідника, накопичується на поверхні мішені і зчитується пучком повільних электронів.
Схема пристрою і принцим роботи відикона показана на мал. 4
|
Мал. 4 Схема відикона
|
1. Мішень. 2. Електронний промінь
3. Катод 4. Анод прискорення
5. Вікно 6. Сітка-колектор
7. Фокусуючі та відхильні пластини.
До недоліків видиконов слід віднести підвищену інерційність, яка проявляється в появі сліду, що тягнеться, за рухомим зображенням, в розмитті контурів зображення, а отже, в зниженні чіткості і контрасту зображення на відеоконтрольному пристрої.
Діапазон спектральної чутливості передавальних телевізійних трубок визначається типом використовуваного фотокатода (для дисекторів, суперортиконів і супервідиконів) або для матеріалу мішені (для відиконів).
Мал. 5 Схема приладу супервідикона:
1 –
фотокатод; 2 – фотоелектрони; 3 –
прискорюючий фокусуючий електрод; 4 –
кремнієва діодно-мозаічна мішень; 5 –
система фокусуючого зчитуючого променя;
6 – магнитна система відштовхування і
фокусування; 7 – электрони зчитуючого
променя; 8 –
-
області мозайки з контактними поверхнями
до них; 9 – підкладка монокристалічного
кремнію
-
типу;
10 – джерело
зміщення сигнальнної пластини.
Електронно-оптичний перетворювач (ЕОП) - електровакуумний прилад, призначений для посилення яскравості оптичного зображення, що створюється оптичною системою, а в окремих випадках і для перетворення спектрального складу випромінювання (наприклад, інфрачервоного зображення 4 у видиме 5). Простий однокамерний ЕОП складається з фотокатода 1, системи формування електронного зображення (електронно-фокусуючої системи) 2 і люмінесцентного екрану 3 (мал. 6).
Мал. 6 Принципова схема приладу електроно-оптичного перетворювача.
При низькому рівні освітленості спостережуваних об'єктів яскравість зображення останніх на екрані простих однокамерних ЕОП недостатня для спостереження оком. У цих випадках застосовують багатокамерні ЕОП, в яких досягається ефект посилення яскравості за рахунок послідовного з'єднання один з одним декількох камер, кожна з яких є найпростішим однокамерним ЕОП.
Серйозним недоліком ЕОП згаданих вище конструкцій є нерівномірний дозвіл по полю екрану (на краях екрану ЕОП дозвіл в 5 .. 8 разів нижчий, ніж в центрі), а також великі габаритні розміри (особливо у багатокамерних ЕОП). Нерівномірність дозволу по полю зумовлена трудністю забезпечення рівномірного фокусування електронного зображення при розташуванні фотокатода і екрану ЕОП в паралельних площинах. Як відомо, оптимальні умови для фокусування електронного зображення мають місце у тому випадку, коли фотокатод і екран виконуються на сферичних площинах. Це конструктивне рішення можливе в ЕОП, у яких на вході і виході є волоконно-оптичні пластини (ВОП), що складаються з безлічі тонких (діаметром 10 .. 20 мкм) скляних волокон, оптично ізольованих один від одного. Зовнішні поверхні ВОП виконані плоскими, а внутрішні -сферическими, на одній з яких нанесений фотокатод, а на іншій - екран. ЕОП з ВОП на вході і виході мають рівномірний дозвіл по усьому полю зору.
Посилення яскравості зображення ЕОП може досягатися не лише за рахунок збільшення числа каскадів посилення (камер), але і за рахунок застосування мікро-канального посилення. Принципові схеми пристроїв ЕОП з волоконно- оптичними пластинами і мікроканальними пластинами (МКП) показані на мал. 7 і 8.
Мал. 7. Принципова схема ЕОП з волоконно – оптичнимим пластинами
1 – фотокатод; 2 – люмінісцентний екран; 3 - волоконно–оптичні пластини.
Мал. 8. Схема ЕОП з канальним підсиленням (а) , і помноження електронів в каналі.
1 – світовий потік; 2 – фотокатод; 3 – мікроканальна пластина; 4 – люмінісцентний екран; 5 – електрон, влетівший в канал; 6 – вторинні електрони; 7 – металічний контакт; 8 – оболонка каналу; 9 – вихідний потік електронів.
Фокусування електронного зображення в ЕОП може здійснюватися так само як із застосуванням магнітної фокусуючої системи або змішаної електростатичного і електромагнітного фокусування. У цих випадках ефективність фокусування по полю екрану вища, ніж при чисто електростатичному фокусуванні.
Для реєстрації швидкопротікаючих процесів (ядерних, процесів розвитку розряду в газі та ін.) використовуються імпульсні ЕОП. Дія цих ЕОП засноване на застосуванні в конструкції виробів електронного затвора (системи плоскопаралельних пластин, що відхиляються, на які подається імпульсна замикаюча напруга) і системи пластин кругової розгортки зображення по екрану. При спільній дії затвора і пластин кругової розгортки ЕОП працює в режимі високошвидкісного фотореєстратора. На екрані ЕОП виходить послідовність з декількох кадрів розміщених по колу. За допомогою таких ЕОП може бути отримане тимчасове розширення до 3*1012 с.