Електронні й іонні фотоелектронні прилади

Фотоелектронними приладами називаються електронні прилади, керування струмом яких відбувається за рахунок зміни інтенсивності або спектрального складу падаючого на них світлового потоку. Вони розділяються на електровакуумні, іонні і напівпровідникові. Ці прилади знайшли широке застосовуються у військовій техніці, наукових дослідженнях, медицині, в телебаченні, фотолітографії, техніці звукового кіно, для контролю й автоматизації різноманітних виробничих процесів і т.д.

Основні типи фотокатодів

В електронних і іонних фотоелементах використовується явище зовнішнього фотоефекта. Не кожний квант здатний викликати фотоемісію. Тому зовнішній фотоефект оцінюють квантовою чутливістю або квантовим виходом Y. Квантова чутливість (вихід) показує, яка кількість фотоелектронів припадає на один квант. З досвіду відомо, що Y значно менший одиниці і залежить від властивостей фотокатода та від енергії кванта. У фотоелементах практично доводиться мати справу із селективним фотоефектом, коли квантова чутливість набуває максимальне значення на певній частоті. На частотах, що лежать нижче порога фотоефекта емісія неможлива. Зі збільшенням частоти зростає імовірність надання електронам емітера енергії, достатньої для виходу, і квантова чутливість збільшується. На ще більш високих частотах чутливість зменшується. Це пояснюється відбиттям квантів від поверхні фотокатода і збудженням електронів на більшій глибині, звідки їх вихід до поверхні є ускладненим.

Залежність кількості фотоелектронів, що виходять із фотокатода, тобто фотоемісійного струму j_fe від величини світлового потоку Ф (від кількості квантів) при відповідній частоті v світлового потоку визначається законом Столетова Г.О.

j_fe =() (1.1)

де коефіцієнт пропорційності () називається спектральною віддачею фотокатода.

Очевидно, що () пропорційний квантовому виходу Y і характеризується тією ж частотною залежністю. Якщо світловий потік складається з коливань різних частот, у (1.1) () замінюють на інтегральну віддачу . Величина світлового потоку виміряється в люменах, струм фотоемісії у мікроамперах, коефіцієнти () і  мають розмірність мкА/лм , або А/Вт.

На (рис. 1.1) представлена будова основних фотокатодів, які виконуються по типу оксидних катодів. Киснево-цезієвий фотокатод (рис. 1.1а) наноситься на шар срібла, яким звичайно покривається скло балона. Він складається з напівпровідного покриття окислів цезію й срібла, усередині і на поверхні якого розташовуються атоми чистого цезію. Останні виконують роль атомів барію в оксидному катоді.

К иснево-цезієвий фотокатод характеризується низькою роботою виходу (мінімальна величина 0,72 еВ) і малою квантовою чутливістю (порядку 0,005—0,05). Цей катод має досить високу термоемісійну здатність, що приводить до необхідності врахування емісії електронів навіть при кімнатній температурі. Чутливість вакуумних киснево-цезієвих фотоелементів дорівнює 20- 30 мкА/лм, доходячи в деяких зразках до 50 - 60 мкА/лм, у газонаповнених фотоелементах робочий струм внаслідок іонізації газу збільшується і чутливість дорівнює в середньому 150-200 мкА/лм.

Рисунок 1.1 Будова фотокатодів: а) киснево-цезієвого; б) сурмяно-цезієвого.

На рис.1.2 показана залежність спектральної віддачі киснево-цезієвого фотокатода від частоти або спектральна характеристика. Як видно, вона має два максимуми. Низькочастотний максимум лежить в інфрачервоній частині спектра, а високочастотний – в ультрафіолетовій (у видимій частині спектра характеристика має провал). Ультрафіолетовий максимум визначається вириванням електронів зі срібної підкладки фотокатода, а довгохвильовий – з напівпровідника.

Киснево-цезієвий фотокатод чутливий до іонного бомбардування, перегріву і легко окисляється. Крім того, його фотоемісійна здатність залежить від часу опромінення. Чим більше часу фотокатод опромінюється, тим менше його фотоемісійний струм (явище стомлюваності). У процесі роботи інтегральна віддача також падає.

Сурм'яно-цезієвий фотокатод (рис.1.1б) складається з напівпровідного шару, що складається із сполуки сурми і цезію (імовірний склад SbСs₃). Він наноситься безпосередньо на скло.

Р исунок 1.2 Залежність спектральної віддачі киснево-цезієвого і сурмяно-цезієвого фотокатодів від частоти

Емісійні властивості сурм'яно-цезієвого катода значно гірші, ніж у киснево-цезієвого, а значить вплив термоемісії на фотострум практично відсутній. Робота виходу його порядку 1,4 еВ. Зате квантова чутливість досягає 0,25-0,3 і катод має інтегральну віддачу більше 100 мкА/лм.

Максимум спектральної характеристики (рис.1.2) лежить у видимій області спектру. Сурм'яно-цезієві катоди більш стабільні і менше чутливі до перегрівів ніж киснево-цезієві. Проте вони більш чутливі до іонного бомбардування і працюють при понижених напругах на аноді. У сурм'яно-цезієвих фотоелементах спектральна віддача дорівнює 60 - 90 мкА/лм, досягаючи в газонаповнених фотоелементах величини 150-200 мкА/лм.

Фотоелектронні елементи

Р озглянемо найпростіший фотоелемент, схема підключення та загальна конструкція якого представлена на рис.1.3 У ланцюг аноду включається джерело постійної напруги (150 -200 В) і опір навантаження R. При опроміненні фотоелемента в анодному ланцюзі виникає струм, що створює на опорі R падіння потенціалу. При зміні світлового потоку, що діє на фотоелемент, змінюється величина струму у фотоелементі і, отже, різниця потенціалів на опорі R, відтворюючи своїми змінами зміни світлового потоку.

Рисунок 1.3 Принципова схема включення фотоелементу

Будова електровакуумного фотоелементу показане на рис.1.4а. У скляному балоні, з якого видалено повітря, поміщені у вакуумі або в газі два електроди: катод К и анод А. Катод у вигляді тонкого металевого світлочутливого шару зазвичай наноситься на внутрішню поверхню скляного балона фотоелемента як показано на рис.1.4а. Анод виготовляють найчастіше у вигляді невеликого, дротового кільця, розташованого в центрі балона.

Р исунок 1.4. Будова електровакуумного фотоелемента загального типу (а) та місткового типу (б)

Іноді у фотоелементах, призначених для роботи в місткових схемах, крім основного анода, поміщають другий, додатковий анод із протилежної сторони катода (рис.1.4б).

Є також конструкції фотоелементів з однаковими електродами, їх називають двох-катодними. У такому приладі в балон поміщають дві однакові світлочутливі поверхні і живлять їх змінним струмом. Кожна поверхня, при опромінені одним джерелом по черзі стає катодом і анодом, щоб фотоелемент проводив струм в обох напрямках.

Основними характеристиками фотоелемента, необхідними для вибору його робочого режиму є:

1. вольт-амперні характеристики, що показують залежність струму фотоелемента від величини анодної напруги при постійному світловому потоці, тобто криві I_а = f(Ua), при різних  = const (рис.1.5а);

2. світлові характеристики, що показують залежність струму фотоелемента від величини світлового потоку при постійній анодній напрузі, інакше, криві I_a = f(), при різних U_a = const (рис.1.5б). Іонний фотоелемент має нелінійну характеристику — збільшення емісійного струму супроводжується більш інтенсивною іонізацією і непропорційним збільшенням струму на аноді. При використанні іонних фотоелементів неможливо уникнути нелінійних викривлень;

3. крутість світлової характеристики =di_a/d мкА/лм характеризує роботу фотоелемента при змінному світловому потоці.

Р исунок 1.5 Основні характеристики фотоелемента: а) вольт-амперна характеристика; б) світлова характеристика; в) вольт-амперна характеристика іонного фотоелемента

У газонаповнених фотоелементах вольт-амперна характеристика, на відміну від характеристики вакуумного фотоелемента, не має різко вираженої області насичення (рис.1.5в); при збільшенні струму I_а до величини струму емісії фотокатода крива злегка загинається, але при подальшім збільшенні анодної напруги внаслідок виникаючої іонізації газу струм починає різко збільшуватися. Розряд залишається несамостійним доти, поки напруга на аноді не буде дорівнювати потенціалу запалювання U_з, при якому в фотоелементі виникає самостійний тліючий розряд. Самостійний розряд у фотоелементі приводить до руйнування катода, що неприпустимо.

Відношення струму при робочому режимі (U_a ≈ 220 – 240 В) у газонаповненому фотоелементі до струму насичення, який був би в цьому фотоелементі при відсутності в ньому газу (ця величина визначається легким вигином характеристики), називається коефіцієнтом газового посилення К_г=I_газ/I_вак. Для збільшення газового посилення необхідно вводити у фотоелемент більше газу; але, у той же час, при великому тиску газу легко виникає самостійний розряд. Тому тиск газу у фотоелементах беруть порядку 10 ^-2 мм рт. ст, що забезпечує коефіцієнт газового посилення від 5 до 8.

Необхідно також відзначити, що вольт-амперні характеристики електронних фотоелементів із сурм'яно-цезієвим катодом при більшому освітлювані не мають насичення, тобто зі збільшенням напруги струм продовжує зростати. Це пояснюється більшим поздовжнім опором шару сурм'яно-цезієвого катода. При значному струмі, між віддаленими областями поверхні катода виникає різниця потенціалів. В результаті частина емітованих електронів переходить не на анод, а вертається до катода. Збільшення анодної напруги, що перешкоджає поверненню електронів, приводить до збільшення струму. Електрони, що вертаються, бомбардуючи катод, вибивають із нього вторинні електрони.

Фотоелектронні помножувачі

Часто, із-за спектральних характеристик фотокатодів та із-за малих значень велечин світлових потоків, необхідно суттєво посилити фотострум. Для цього можна використовувати надчутливі електронні схеми посилення, які можуть спотворити сигнал, або використовувати фотоелектронні помножувачі.

При реєстрації слабких світлових сигналів фотострум малий (наприклад, при Ф = 10 ^- 10 лм і  =  100 мкA/лм I_a = 10^-14 A) і для його посилення доводиться використовувати багато каскадні підсилювачі. Цього можна уникнути, якщо у фотоелемент увести каскади вторинного-електронного множення потоку фотоелектронів. Такі прилади називаються фотоелектронними помножувачами (ФЕП). При п каскадах множення фотострум підсилюється в а^п раз, і чутливість ФЕП по анодному струму, називана анодною чутливістю:

,

яка може приймати дуже великі значення. Так, наприклад, при  = 30 мкА/лм, n=13 і =3,  = 50 А/лм. Слід зазначити, що можливість реалізації такої високої чутливості обмежується областю слабких світлових сигналів. При надмірному збільшенні анодного струму робота емітерів (особливо останніх каскадів) порушується. Припустимий струм ФЕП не перевершує декількох одиниць мікроамперів.

У загальному випадку конструкція ФЕП повинна забезпечувати необхідне посилення, оптимальні умови влучення випромінювання на фотокатод, високу ефективність збору фотоелектронів на перший динод і вторинних електронів на кожний наступний динод, малі зміни часів прольоту електронів, що визначають швидкодію та лінійність світлових характеристик. Динодні системи ФЕП можна класифікувати по способу керування рухом електронів з динода на динод. Керування здійснюється за допомогою:

1. електростатичних полів;

2. електростатичних і магнітних полів;

3. високочастотних електричних і магнітних полів.

Конструкції динодних систем досить різноманітні, однак з урахуванням основних особливостей їх можна розділити на наступні групи:

а) системи на дискретних динодах;

б) системи на розподілених динодах;

в) системи з напівпровідниковими елементами, що множать.

Основні вимоги, пропоновані до емітерів вторинних електронів (динодів), що використовуються у ФЕП:

1. коефіцієнт вторинної емісії динода повинен бути значним при порівняно малих енергіях первинних електронів (60-100 еВ);

2. коефіцієнт вторинної емісії повинен бути стабільним у робочому режимі;

3. динод не повинен мати фотоелектронну і термоелектронну емісії, що створюють додатковий шум;

4. виготовлення динодів повинне бути простим і не виявляти шкідливого впливу на параметри фотокатода;

5. емітери повинні мати достатню провідність.

Найпростішим по будові є однокаскадний помножувач -- фотоелемент із вторинною емісією, схема якого показана на рис.1.6. На фотокатод ФК падає світловий потік, що приводить до виникнення фотоелектронів. Фотоелектрони рухаються до сітчастого аноду А, і більша їх частина, пролітаючи крізь анод, бомбардує динод Д вибиваючи з нього вторинні електрони. Останні рухаються на анод і разом з первинними електронами, що потрапили на анод, утворюють у ланцюзі робочий струм, значно більший струму з фотокатода.

Р исунок 1.6 Схема найпростішого однокаскадного ФЕП

Принцип роботи багатокатодного ФЕП можна розглянути за допомогою його загальної схеми (рис.1.7). Фотокатод ФК опромінюється світлом скрізь «вікно» приладу. Фотоелектрони спрямовуються електричним полем на вторинний емітер –динод Д₁ і вибивають із нього вторинні електрони. Якщо коефіцієнт вторинної емісії емітера  > 1, то відбувається множення електронного потоку. З першого емітера вторинні електрони попадають на другий Д₂ і знову множаться і т.д. Останній електрод-анод А є колектором, що збирають вторинні електрони.

Р исунок 1.7 Загальна схема багатокаскадного ФЕП

Як коефіцієнт вторинної емісії, так і анодна чутливість сильно залежать від прикладеного до помножувача напруги (живлення всіх електродів ФЕП здійснюється від загального джерела напруги, навантаженого на потенціометр; прикладена напруга рівномірно розподіляється між динодами приладу). Так, якщо ФЕП-19 живеться від джерела з напругою 950 В, те анодна чутливість не перевершує 1А/лм, а при 1940 В вона досягає 1000 А/лм. Звідси випливає, що для забезпечення стійкої роботи ФЕП слід живитися від стабілізованих випрямлячів.

Оскільки при переході з одного емітера на інший неминуче розсіювання електронів, те реальні значення анодної чутливості виходять менше розрахункових. Зменшення розсіювання досягається створенням між емітерами фокусуючих електричних або магнітних полів.

Фотоелектронні помножувачі з фокусуючими електродами

Фотоелектронні помножувачі з фокусуючими електродами призначені для фотоелектричних вимірів при слабких світлових потоках. Принцип дії помножувачів цієї групи можна розглянути на прикладі ФЕП-17 (рис.1.8).

Р исунок 1.8 Конструкція багатокаскадного ФЕП з фокусуючими динодами (а), еквіпотенційні лінії та траєкторії електронів між динодами (б)

Емітери в цих приладах виконуються у вигляді ковшів і розташовуються так, щоб створювані ними електричні поля забезпечували майже повний перехід вторинних електронів, що випускаються даним емітером на наступний під гострими кутами атаки до поверхні . Картина поля і траєкторії електронів у такій системі електродів представлені на рис.1.8б. На кожний наступний емітер електрони попадають в основному в центральній частині його поверхні, так що в процесі переходу від одного електрода до іншого електронний потік виявляється усе більш концентрованим.

Фотоелектронні помножувачі наскрізної дії

Перші конструкції помножувачі наскрізної дії були розроблені С.А. Векшинским. У цих приладах вторинні електрони виходять із емітера з боку, протилежного напрямку первинних електронів. У цьому випадку відсутня необхідність вживати спеціальних заходів для корегування напрямку вторинного електронного потоку від одного емітера до іншого. Емітери виконуються або у вигляді сіток, або у вигляді металевих нахилених пластин типу жалюзі. Принцип дії та загальна конструкція такого помножувача з емітерами у вигляді жалюзі представлені на рис.1.9. Вторинні електрони, що випускаються емітером-динодом, попадають на наступний щабель, під дією різниці потенціалів на цих щаблях. Однак деяка частина первинних електронів може пройти в жалюзі емітера, не потрапляючи на диноди і не створюють вторинні електрони, що приводить до зменшення посилення приладу. Помножувач цієї групи мають марку ФЕП-12.

Р исунок 1.9 Конструкція ФЕП наскрізної дії.

Іноді між жалюзійними динодами розміщують сітку, яка екранує жалюзі від гальмівного поля попереднього динода, що збільшує кількість вторинних електронів які дійдуть до наступного диноду. В такій системі робоча поверхня є достатньою, а міждинодна відстань може бути малою. Поле між динодами можна вважати однорідним, тому відсутнє фокусування електронів при їх розштовхуванні, що збільшує робочу поверхню динодів та забезпечує стійкість сигналу при великих струмових навантаженнях. В той же час, напруженість електричного поля біля поверхні динодів є достатньою, що дозволяє отримати розкид часу прольоту між каскадами менше ніж 1 нс.

Перспективним для мініатюризації ФЕАП та систем їх застосування є безперервний динод з розподіленим опором, загальна конструкція якого наведена на рис.1.10. Множення фотоелектронів відбувається всередині каналу, внутрішня поверхня якого вкрита матеріалом з великим значенням коефіцієнта вторинної електронної емісії. Як правило, матеріал синодного покриття є напівпровідником, тому при прикладенні до торців каналу потенціалу, можна отримати подовжнє поле прискорення. Найбільшою ефективністю по посиленню та стабільності характеристик мають канали із співвідношенням їх діаметру до довжини приблизно 1:50. На основі таких систем створені мікраканальні пластини.

Рисунок 1.10 Пролітний безперервний канальний ФЕП з розподіленим опором: 1- фотокатод; 2- канальний безперервний динод; 3- колектор

Фотоелектронні помножувачі на мікраканальних пластинах

Мікраканальні пластини (МКП) являють собою стільникові структури (рис.1.11), утворені великою кількістю скляних трубок (каналів) діаметром 5-15 мкм із внутрішньою напівпровідною поверхнею, що має опір від 20 до 1000 МОм. Тобто МКП являє собою збірну конструкцію великої кількості (декілька мільйонів) канальних електронних помножувачів, що відносяться до помножувачів з безперервним динодом наскрізної дії. Фотоелектрон (іноді іон, фотон) попадає в канал і з його стінки вибиває вторинні електрони, які прискорюються електричним полем, створеними напругою на кінцях каналу (рис.1.11). Цей процес по мірі прольоту уздовж каналу повторюється багато разів і на виході формується електронна лавина.

Р ис. 1.11 Конструкція, схема дії та фото МКП

Коефіцієнт підсилення МКП g визначається співвідношенням

g = exp (σ(L/d)),

де σ - коефіцієнт вторинної електронної емісії, який залежить від властивостей матеріалу стінок каналу й прикладеного напруги, L і d - довжина й діаметр каналу.

Відношення L/d у стандартних МКП близько 40-80. Коефіцієнт підсилення в однокаскадних МКП ~10⁴, у двокаскадних (шевронних) ~10⁷, у трьохкаскадних - до 10⁹. Щоб частки, що налітають, попадали на стінки каналів, вони розташовуються під деяким кутом до напрямку їх руху (звичай5 -15°).

Розміри МКП варіюються від декількох міліметрів до 10 см і більше. Форма МКП може бути найрізноманітніша - округла, прямокутна, практично будь-яка, необхідна для конкретного випадку застосування. Крім того, поверхня їх може бути зроблена сферичною або циліндричною, для того, наприклад, щоб відповідати фокальній площині магнітного або електростатичного спектрометру.

При множенні електронів у каналі утворюються іони, кількість яких залежить від залишкового газу. Інтенсивна іонізація газу спостерігається на останніх 30% шляху в каналі, де щільність електронів найбільша. Іони прискорюються до фотокатоду, бомбардують його, а це спотворює характеристики та руйнує катод. При цьому значно скорочується термін служби. Щоб уникнути цього, удосконалюють технологію відкачки, поліпшують знегажування електродів, застосовують МКП із криволінійними каналами, установлюють дві або три пластини із прямолінійними похилими каналами, щоб утруднити рух іонів до катода. У результаті коефіцієнт підсилення знижується до 10⁶, а термін служби зростає в декілька разів.

У передавальних сучасних трубках на вхід мікроканальної пластини методом розпилення наносять алюмінієву або кремінну плівку товщиною 13 нм (рис.1.12).

Рисунок 1.12 – Схема ФЕП на МКП із захисною плівкою: 1- фотокатод; 2- алюмінієва або керамічна пластина; 3- МКП; 4- колектор

На фотокатод 1 падає потік світла (п). Фотоелектрони з фотокатода попадають у прискорювальне поле анода (4). На їхньому шляху розташована алюмінієва плівка 2 і мікроканальна пластина 3. Електрони, прискорені до енергії  1,3 кеВ, проникають скрізь алюмінієву плівку і умножаються в каналах МКП. Внутрішня поверхня каналу має коефіцієнт вторинної емісії . В одній пластині забезпечується коефіцієнт підсилення Наприкінці шляху в каналі утворюються іони, які полем анода прискорюються в протилежному напрямку до фотокатода і затримуються алюмінієвою або керамічною пластиною У результаті захисна пластина розв'язала майже всі проблеми, що виникали у МКП.

Мікраканальні пластини мають унікальну комбінацію властивостей - великий коефіцієнт підсилення, високу просторову і часову роздільність. Просторова роздільність однокаскадних МКП визначається діаметром каналу, часова - часом прольоту електронної лавини каналу, який є меншим за 1 нс.

Зараз вони широко застосовуються в приладах нічного бачення, фотоелектронних посилювачах та перетворювачах, спектральній та вимірювальній апаратурі (електронна спектроскопія й мікроскопія, мас-спектрометрія, рентгенівська астрономія, ядерні дослідження).. МКП розміщається перед екраном приладу, при цьому різко поліпшуються всі параметри приладу при значно менших струмах променя електронів, поліпшуються часові характеристики.

У більшості випадків використовуються тільки деякі властивості МКП. Так для магнітних або електростатичних аналізаторів в основному важливо просторовий розділ. Детектори на базі МКП оптимізуються з обліком розв'язуваних з їхньою допомогою завдань.

У загальному випадку детектори на базі МКП складаються із трьох частин.

1. Конвертора, який перетворює вхідне випромінювання в інше і може ефективно взаємодіяти безпосередньо із МКП. Наприклад, так як і у ФЕП використовуються фотокатоди для зсуву довжин хвиль в область чутливу для МКП. Для електронів, іонів і ультрафіолету конвертерів звичайно не потрібно.

2. Системи посилення сигналу. Залежно від цілі, вони можуть мати від одного до трьох каскадів. Для короткотривалих вимірів оптимальними вважаються двокаскадні (шевронні).

3. Колектор. Для випадків, у яких просторовий розділ не має значення, для виводу сигналу можна використовувати суцільний металевий анод. Там, де важливо просторовий розділ анод може бути секційним або опорним і т.д.

Використання МКП накладає досить жорсткі вимоги до вакуумної системи. Для їх нормальної роботи потрібен тиск не менш 6.5*10^-4 Па.

У порівнянні з іншими ФЕП, МКП мають малі габарити, кращі часові характеристики і помітно меншу чутливість до магнітних полів.

Електронно-оптичні перетворювачі та підсилювачі яскравості зображень

Електронно-оптичний перетворювач зображень (ЕОП) є приладом, що перетворять оптичне зображення, що відповідає одній області спектра в оптичне зображення в іншій області спектра. Електронно-оптичний підсилювач відрізняється від ЕОП тільки тим, що формує на виході зображення, яскравість якого значно перевищує яскравість первісного, вхідного, зображення. Як правило, електронно-оптичні перетворювачі є приладами які використовують принципи посилення яскравості зображення та фотоелектронні помножувачі. Тому , в загальному випадку, електронно-оптичні перетворювачі та посилювачі оптичних зображень важко відокремити в окремі типи електронно-оптичних приладів.

Необхідність у таких приладах очевидна. Електронно-оптичні перетворювачі та посилювачі використовуються в якості приладів нічного бачення цивільного та військового застосування, різноманітних детекторах. Електронно-оптичні підсилювачі використовуються в астрономії; для посилення рентгенівського зображення, що дозволяє різко знизити інтенсивність рентгенівських променів, що опромінюють об'єкт. Прилади цього класу використовуються у науково-фізичних дослідженнях для реєстрації різного роду сцинтиляцій, спалахів, траєкторій ядерних часток і т.п.

З агальний принцип дії ЕОП або посилювача полягає в тому, що у вакуумному об’ємі розміщають напівпрозорий фотокатод і люмінесцентний екран, між якими знаходиться електронно-оптична система, схематично показана на рис. 1.13 у вигляді лінзи.

Рисунок 1.13 Загальна схема ЕОП або посилювача яскравості оптичного зображення: 1- оптичне зображення, 2- електронне зображення, 3-електро-оптична система, 4- екран

Оптичне зображення проектується на фотокатод, приводячи до фотоелектронної емісії, величина якої пропорційна освітленості тих або інших ділянок катода. Таким чином, на внутрішній стороні катода формується електронне зображення, яке за допомогою електронно-оптичної системи прискорюючись переноситься в площину екрана, яскравість якого у свою чергу пропорційна щільності струму в електроннім зображенні.

Перспективним є використання в конструкції електронно-оптичних перетворювачів та посилювачів мікраканальних пластин, схема фотоелектронного посилювача рис. 1.12 і є достатньою схемою для створення ЕОП. Різниця в тому, що замість колектора можна використовувати люмінесцентний екран. Крім того, МКП часто використовують в якості каскадів посилення електронного зображення.

Звичайні електронно-оптичні підсилювачі дають посилення світла в кілька десятків разів. Однак у ряді випадків цього виявляється недостатньо і доводиться прибігати до розробки способів додаткового посилення яскравості зображення на екрані підсилювача.

Одним з таких способів є створення так званих багатокамерних електронно-оптичних перетворювачів та підсилювачів, які являють собою послідовне з'єднання двох або більше електрооптичних підсилювачів.

Н а рис.1.14 схематично показана конструкція двокамерного підсилювача, у якому електронне зображення, що виникає на вхідному фотокатоді 1, переноситься па проміжний екран 3, нанесений на тонку прозору перегородку, що розділяє камери. Світло цього екрана збуджує фотоелектронну емісію катода 4 другої камери, нанесеного із протилежної сторони перегородки першої камери. Електрони, що випускаються катодом 4, збуджують вихідний екран 6. Такий двокамерний підсилювач дає зусилля світла порядку 10³. Застосування трьох камер підвищує посилення ще на порядок. При цьому ефект виявляється тем вище, чим краще погоджені спектральні характеристики проміжних екранів і фотокатодів.

Рисунок 1.14 Конструкція двокамерного підсилювача яскравості зображення

Слід зазначити, що з ростом кількості камер роздільна здатність підсилювача помітно знижується через аберації і розсіювання світла в перегородках між камерами, особливо в екранах. Так, звичайний порошковий екран, будучи застосований в однокамерному приладі, дає розв'язну здатність у центрі екрана близько 40, а у двокамерному до 18 пар ліній на міліметр.

Крім того, у ряді випадків недоліком багатокаскадних перетворювачів і підсилювачів зображення є інерційність, пов'язана з наявністю післясвітіння проміжних екранів.

Інший спосіб посилення яскравості полягає у використанні вторинної емісії тонких плівок «на простріл». Він заснований на тому, що бомбардування тонкого шару речовини пучком електронів певної енергії, підібраної так, що вони гальмуються поблизу протилежної сторони шару. Додатково з протилежного боку виникає і значна вторинна електронна емісія У результаті в такому вторинному емітері (диноді) виходить посилення первинного струму в кілька раз.

Параметри електронно-оптичних перетворювачів та посилювачів яскравості оптичних зображень

Припустимо, що на фотокатод площею S_к падає світловий потік Ф_к.

1. Чутливість фотокатода (Y) повинна бути однакової по всій його поверхні. Значення фотоструму фотокатода буде дорівнювати I_ф=  Ф_к. Якщо світловіддача екрана, яка вимірюється в люменах світлового потоку, що опромінює екран, на 1 Вт потужності електронного потоку , а анодна напруга ЕОП U_a, то екран-колектор випромінює світловий потік Ф_e, рівний   Ф_к     U_a, а посилення світлового потоку _ф (коефіцієнт перетворення по яскравості) складе

_ф =   U_а   .

Наприклад, при інтегральній чутливості фотокатода  =200 мкА/лм, анодній напрузі U_a = 10 кВ і світловіддачі  = 30 лм/Вт в ЕОПі забезпечується посилення світлового потоку в 60 раз.

2. Якщо зображення переноситься з фотокатода на екран без зміни масштабу, то яскравість зображення на екрані зростає в стільки ж раз, у скільки зростає світловий потік. Якщо ж зображення на екрані зменшене в m_е = раз, то яскравість екрана підвищується в Г_е²  раз. Величину m_е називають електронно-оптичним збільшенням ЕОП.

3. Перетворення спектрального діапазону обумовлене різними областями спектральних характеристик фотокатода і екрана.

4. Роздільна здатність, під якою розуміється максимальне число пар, які знаходяться на лінійному міліметрі і складаються із світлої і темної лінії, які спроектовані на фотокатод можуть бути помітні на екрані. Наявність широкого електронного пучка повинне приводити до помітних аберацій зображення. При цьому при віддаленні від осі слід очікувати значного росту астигматизму і дисторсії, малоістотних у звичайних електронно-променевих трубках. Цей факт є однією з істотних причин, що знижують роздільну здатність із ростом розміру зображення. Чіткість зображення на екрані ЕОП визначається як розсіюванням електронів, так і розсіюванням світла в екрані, скляних або слюдяних вікнах, у скловолоконних елементах і т.д. Дискретна структура мікроканальних і сткловолоконих пластин, які застосовуються в сучасних ЕОП, також обмежує чіткість зображення.

5. Найважливішою характеристикою ЕОП, що визначає якість зображення на екрані, є збереження контрасту зображення, який визначається співвідношенням

де  – контраст зображення на екрані ЕОП; В_св – яскравість світлових ділянок екрана, В_т – яскравість темних ділянок екрана.

6. Зонна характеристика – залежність чутливості фотокатода від координати точки опромінення, що обумовлюється нерівномірністю чутливістю фото емісійного шару та відмінністю збору електронів з різних точок фотокатоду на перший динод.

7. Темновий струм, що утворюється за рахунок термоелектронної емісії з перших динодів, струмами витіку між анодом та іншими електродами, іонним струмом. Ступінь вкладу складових темнового струму залежить від режиму роботи.

8. Світловий (енергетичний) еквівалент темнового струму визначається потоком світла (енергії) на фотокатод, що приводить до фотоструму еквівалентному темновому.

9. Граничний потік приладу залежить від чутливості до потоку випромінювання відповідного спектрального складу та сумарного струму шумів на виході фотоелектронного приладу.

Більшість перерахованих вище параметрів відносяться і до фотоелектронних помножувачів.

По способу переносу електронного зображення з фотокатода на екран ЕОП можна розділити на три типи:

1) ЕОП з паралельним переносом зображення в одноріднім електричнім полі (плоский);

2) ЕОП з електромагнітним фокусуванням;

3) ЕОП з електростатичним фокусуванням у неодноріднім полі.

Методи посилення яскравості зображення

Яскравість зображення на екрані ЕОП можна збільшити, змінюючи конструкцію електродів або вдосконалюючи технологію їх виготовлення і відповідно параметри:

1. Збільшення чутливості фотокатода.

2. Збільшення світлової віддачі екрана.

3. Збільшення енергії електронів.

4. Стиск електронно-оптичного зображення.

Світловий потік з екрана ЕОП завжди розходиться в тілесному куті незалежно від розмірів зображення. Тому його яскравість на екрані при однаковій освітленості фотокатода зростає як квадрат зменшення електронно-оптичного зображення.

Покоління ЕОП по принципових технологічних відмінностях у конструкції:

I Покоління ЕОП у вигляді скляної колби з електростатичним фокусуванням. Відрізняється низьким коефіцієнтом підсилення яскравості і невисокою роздільною здатністю, нерівномірною чіткістю картинки. Ефективна робота в умовах низької освітленості можлива тільки з ІЧ підсвічуванням, що не забезпечує скритності спостереження. Однак, технологічний процес виробництва ЕОП досить простий, і трубки I покоління є самими доступними на ринку нічної техніки, забезпечуючи прийнятні характеристики спостереження і розпізнавання на відстані до 100 метрів. Застосування волоконно-оптичних пластин, дозволило досягти високого і рівномірної роздільної здатності по всьому полю зору. Металокерамічна колба ЕОП витримує високі ударні навантаження. Однак, недостатній коефіцієнт підсилення яскравості не дозволяє вести спостереження в умовах низької освітленості без зовнішньої ІЧ підсвічування

II покоління. Застосована мікраканальна пластина (МКП), що множить потік електронів, зроблених фотокатодом; має високу перешкодозахищеність при загальних і локальних засвіченнях, досягнуте високе посилення яскравості; можливість роботи без зовнішнього підсвічування в умовах низької освітленості. Використання біпланарної схеми дозволило зменшити поздовжні габаритні розміри; зменшити крок каналів МКП; застосувати прямий перенос зображення замість електростатичного фокусування, використовувати на виході МКП установки волоконно-оптичного інвертора. Збільшена роздільна здатність ЕОП, поліпшена чіткість картинки; можливість роботи без зовнішнього підсвічування в умовах низької і гранично низької освітленості. Повністю усунута геометрична дисторсія.

III покоління. Використання в якості фотокатоду арсеніду галію: ФК на основі GaАs має більшу чутливість у порівнянні з мультилужним ФК, які використовуються в ЕОП II покоління. Для захисту фотокатода застосована захисна іонно-бар'єрна плівка. Максимум чутливості ФК зміщений в інфрачервоний діапазон, що дозволяє працювати без зовнішнього підсвічування в умовах гранично низької освітленості. ЕОП із чутливістю ФК ≥ 1800 мкА/лм і роздільною здатністю ≥60 штр/мм забезпечує максимально можливу дальність нічного спостереження і розпізнання.