Тематика курсовой работы

Настоящая курсовая работа является частью дисциплины «Вакуумные и плазменные приборы и устройства», изучаемых студентами 4 - 5 курсов дневного и вечернего отделений специальности 210105 «Электронные приборы и устройства» и ориентирована на выработку у студентов навыков обоснования принятия инженерных решений при выполнении конкретной задачи, умение производить инженерные расчеты и их анализ.

Цель и задачи выполнения курсовой работы

Целью курсовой работы является углубленное изучение высокоскоростных электронно-оптических камер и схем их построения, комплектующих электронно-оптических преобразователей (ЭОП) и передающих телевизионных трубок.

Задачами работы являются расчеты основных параметров (энергетической и квантовой чувствительности, пространственного разрешения, динамического диапазона), определяющих эксплуатационную применимость различных схем регистрации быстропротекающих процессов оптического диапазона.

В процессе выполнения работы студенту необходимо проявить самостоятельность при анализе научно-технических решений и нести инженерную ответственность за качество его выполнения и оформления.

Задание на курсовую работу, ее объем, сроки выполнения и этапы защиты выдаются и определяются преподавателем курса.

Итогом выполнения курсовой работы является его защита, подтверждающая глубокое освоение курса.

Исходные данные к курсовой работе

В работе анализируется несколько вариантов построения электронно-оптических трактов ЭОК, сопряженных с ПТТ. Они сравниваются с традиционной схемой съема изображений с экрана ЭОК и регистрацией на фотопленку, применяемой, например, в камере «Агат-СФ1» ([8], разделы 1 и 2), содержащей времяанализирующий ЭОП ПВ-001А ([8], раздел 3), микроканальный усилитель яркости ПМУ-2В ([8] раздел 4) и приставку для контактного фотографирования [9]. Схема регистрации изображений ЭОК «Агат-СФ1» представлена на рисунке 1, а.

На рисунке 1, б-гприведены схемы построения трактов, в которые заложены следующие принципы:

• передача изображений с каскада на каскад посредством оптического контакта через волоконно-оптические диски (ВОД) для снижения световых потерь;

• согласование спектральных характеристик чувствительности фотослоев с характеристиками излучения катодолюминофоров экранов ЭОП для повышения энергетической чувствительности систем;

• согласование рабочих размеров (диаметров) фотокатодов, экранов ЭОП и мишеней ПТТ для исключения пространственных потерь информации;

• исключение микроканальных усилителей яркости из трактов для расширения их информационной емкости.

На рис. 1,б, впоказаны варианты построения трактов с серийно выпускаемым суперкремниконом типа ЛИ-702 [10] и экспериментальным суперкремниконом типа ПДМ-401, на рис. 1,гприведен вариант построения тракта с использованием дюймовых видиконов ([8], раздел 5).

Рис. 1. Схемы регистрации изображений ЭОК:

а ‑ тракт «Агат-СФ1»; б ‑ тракт, сопряженный с суперкремниконом ЛИ-702;

в ‑ с экспериментальным суперкремниконом ПДМ-401; г ‑ с видиконом

Обозначения ПМ-1,0,ПМ‑0,625 и ПМ-0,4 относятся к однокамерным модульным усилителям яркости с многощелочными фотокатодами и электронно-оптическим увеличением 1; 0,625 и 0,4 соответственно. Следует отметить, что для схемы рис. 1, гвидикон должен иметь входное окно, выполненное из ВОД.

Основными характеристиками, определяющими эксплуатационную применимость различных схем, являются энергетическая и квантовая чувствительность, пространственное разрешение и динамический диапазон.

Энергетическая чувствительность системы характеризуется энергетической экспозицией фотокатода ЭОП ПВ-001А на длине волны λ = 1060 нм, обеспечивающей либо заданную плотность почернения фотопленки, либо заданный ток сигнала ПТТ, и определяется из выражений:

(1)

(2)

, (3)

где - максимальная спектральная чувствительность соответствующей ПТТ^) для схем на рис. 1. Причем выражения (2), (3) получены из условия равенства плотности заряда, создающего на мишени ПТТ соответствующий потенциальный рельеф, и плотности заряда, приносимого на мишень коммутирующим пучком и необходимого для компенсации накопленного потенциального рельефа.

На рис. 2 и в таблице 1 представлены нормированные спектральные характеристики чувствительности глетикона, кадмикона, кремникона, многощелочного фотокатода и высокоэнергетичных люминофоров марок К‑71 и К-67.

Рис. 2. Нормированные спектральные характеристики:

чувствительности мишени ПТТ и многощелочного фотокатода : 1 ‑ кремникона [3]; 2 ‑ кадмикона [14]; 3 ‑ глетикона [15]; 4 ‑ суперкремниконов и многощелочного фотокатода на ВОД; излучения люминофоров: 5 ‑ К-71 [12]; 6 ‑ К-67 [12]; 7 ‑ относительная спектральная характеристика стандартного фотометрического наблюдателя МКО[17]; 8 ‑ нормированная спектральная плотность излученияF_A() [17] источника типа А

Максимальная спектральная чувствительность ПТТ и энергетические коэффициенты преобразования ЭОП, используемые в системах, а также коэффициенты спектрального согласования определяются соответственно из выражений:

(4)

(5)

. (6)

Таблица 1

Нормированные спектральные характеристики:

стандартного фотометрического наблюдателя – V(λ); плотности излучения источника типа А –F_A(λ); чувствительности многощелочного – (Na₂KCs)Sb– фотокатода – ζ(λ); чувствительности мишеней ПТТ: кремникона (на основеSi) – ζ^{`</sup><sub>1</sub>(λ); кадмикона (на основеCdSe) – ζ<sup>`}₂(λ); глетикона (на основеPbO) – ζ^`₃(λ); излучения люминофоров К-71 и К-67 –φ(λ).

λ, нм	V(λ)	FA(λ) (Т=2850K)	ζ(λ) (Na2KCs)Sb	ζ`1(λ) Si	ζ`2(λ) CdSe	ζ`3(λ) PbO	φ(λ) K-71	φ(λ) K-67
380	0,00004	0,027	0,973	0,22	0,38	0,3
400	0,0004	0,054	0,997	0,275	0,43	0,55	0,043
420	0,004	0,081	1,0	0,33	0,485	0,75	0,267
440	0,023	0,110	0,991	0,39	0,545	0,9	0,766	0,000
460	0,06	0,143	0,962	0,45	0,6	0,97	1,000	0,009
480	0,139	0,186	0,923	0,505	0,66	0,98	0,666	0,123
500	0,323	0,228	0,878	0,57	0,71	0,92	0,340	0,406
520	0,710	0,278	0,818	0,62	0,76	0,83	0,163	0,830
540	0,954	0,329	0,737	0,675	0,8	0,7	0,063	0,991
560	0,995	0,382	0,661	0,735	0,82	0,56	0,017	0,849
580	0,87	0,440	0,585	0,785	0,86	0,4	0	0,556
600	0,631	0,494	0,52	0,84	0,9	0,25		0,339
620	0,381	0,541	0,445	0,88	0,93	0,07		0,174
640	0,175	0,588	0,395	0,92	0,96			0,076
660	0,061	0,634	0,336	0,96	0,98			0,001
680	0,017	0,677	0,277	0,98	1,00			0,000
700	0,0041	0,720	0,23	1,00	0,96
720	0,00105	0,750	0,183	1,00	0,75
740	0,00025	0,790	0,148	0,985	0,475
760	0,00006	0,820	0,108	0,95	0,275
780		0,860		0,905	0,13
800		0,880		0,85	0,04
820		0,900		0,79	0
840		0,920		0,73
860		0,940		0,67
880		0,960		0,61
900		0,970		0,55
920		0,980		0,49
940		0,987		0,425
960		0,990		0,35
980		0,995		0,27
1000		1,000		0,21
1020		1,000		0,16
1040		1,000		0,12
1060		1,000		0,085
1080		0,995		0,055
1100		0,950		0,03

Таблица 2

Основные параметры рекомендуемых передающих телевизионных трубок

Параметр	Марка и тип ПТТ
	ЛИ-446, кремникон	ЛИ-451, кадмикон	ЛИ-457, глетикон	ЛИ-702, супер-кремникон	ПДМ-401, супер-кремикон
Диаметр рабочего поля входного окна, мм	16	16	16	25	40
Номинальная освещенность Е, лк	0,5	0,5	0,5	510-3	210-3
Длина волны максимальной спектральной чувствительности m,нм	700	680	470	460	460
Максимальная спектральная чувствительность ,А/Вт	*	*	*	*	*
Номинальный ток сигнала i,А	2,5·10-7	2·10-7	2·10-7	3,5·10-7	4·10-7
Глубина модуляции на 400лин.М, %	40	40	40	25	30
Пространственное разрешение N,лин.	600	600	600	600	700
Рабочая площадь мишени S,м2	1,2·10-4	1,2·10-4	1,2·10-4	1,2·10-4	1,2·10-4
Темновой ток мишени i, А	2010-9	310-9	310-9	1510-9	510-9
Наклон световой характеристики ,отн. ед.	0,95	0,95	1	1	1
Пространственное разрешение, приведенное к экрану ЭОП ПВ‑001А Ni, мм-1	12,6	12,6	12,6	12,6	14,7

Таблица 3

Обозначения, наименования, размерность и численные значения некоторых величин в выражениях (1) - (11)

Обозначение	Наименование и размерность	Численное значение	Источник
1	2	3	4
Hэ*	Энергетическая экспозиция фотопленки РФ-3 излучением люминофора К-71 для получения плотности почернения D = 1,1, Дж/м2	2,8810-4	—
	Энергетический коэффициент преобразования ЭОП ПВ‑001Ана длине волны = 1060нм, Вт/Вт	*
1	То же для ЭОП ПМУ-2В на длине волны  = 460нм	1104	[9]
2	То же для ЭОП ПМ-1,0 или ПМ-0,625	*
3	То же для ЭОП ПМ-0,4 с экраном из люминофора марки:
	К-71	*
	К-67	*
т1	Масштаб переноса изображения с фотокатода на экран ЭОП ПВ‑001А,отн. ед.	2	[9]
т2	Масштаб переноса изображения с экрана ЭОП ПВ-001Ана мишень ПТТ, отн. ед.	0,4	—
1	Коэффициент спектрального согласования многощелочного фотокатода и люминофора К-71, отн. ед.	*

1	2	3	4
2	Коэффициент спектрального согласования мишени видикона и соответствующего люминофора:
	кремникон / К-67 кадмикон / К-67 глетикон / К-71	* * *
τ	Длительность считывания кадра с мишени ПТТ в телевизионном стандарте, с	410-2	—
k	Коэффициент фотоприставки и передачи излучения через оптический контакт двух сопряженных ВОД, отн. ед.	0,9	—
	Максимальная спектральная чувствительность фотокатода, А/Вт:
	многощелочного на ВОД ( = 460нм)	410-2	—
	серебряно-кислородно-цезиевого в ЭОП ПВ-001А(= 1060нм).	110-3	[12]
т	Масштаб переноса изображения с входного окна ПТТ на мишень (для видиконов т = 1),отн. ед.:
	ЛИ-702 ПДМ-401	0,64 0,4	[10] [7]
U	Ускоряющее напряжение применяемых в трактах ЭОП, В	1,5104	—
	Энергетический выход катодолюминесценции люминофоров, Вт/Вт:
	К-71 К-67	0,15 0,13	[12] [12]
	Коэффициент пропускания ВОД в полосе спектров излучения люминофоров К-71 и К-67, отн. ед.	0,6	—
j0	Плотность темнового тока многощелочного фотокатода, А/м2	110-11	[12]
Ni	Пространственное разрешение звеньев электронно-оптических трактов, приведенное к экрану ЭОП ПВ‑001А,мм-1:
	ПВ-001А ПМУ-2В ПМ-1,0 ПМ-0,625 ПМ-0,4	15 18 34 30 24	[9] [9] — — —
λ1, λ2	Границы видимого спектра, нм	380, 760	[12]
λ0	Порог фотоэффекта мишеней, нм:
	кремникона	1100	[14]
	кадмикона	820	[15]
	глетикона	640	[16]
λ3, λ4	Границы спектра излучения люминофора:
	К-71	390, 580	[12]
	К-67	450, 670	[12]

Примечание: знаком * в таблицах 2 и 3 обозначены параметры, рассчитываемые в данной работе.

Поскольку ВОД являются неизопланатичными элементами, результирующее пространственное разрешение сквозного тракта, приведённое к его входу и выходу, определяется соответственно из выражений:

(7)

. (8)

Энергетическая чувствительность и пространственное разрешение системы позволяют определить ее квантовую чувствительность как число фотонов (= 1060 нм) на элемент разрешения, необходимых для получения заданного сигнала:

. (9)

Поскольку электронно-оптический тракт камеры «Агат-СФ1» имеет линейную амплитудную характеристику в довольно широких пределах [11], динамический диапазон схемы (рис. 1, а) определяется протяженностью линейного участка характеристической кривой фотоплёнки и для РФ-3 составляет Δ≈15 [12].

Динамический диапазон для схем с ПТТ ограничен сверху началом насыщения световой характеристики, которое наступает при токе сигнала, равном удвоенному номинальному значению, а снизу — шумами системы, которые складываются из собственных шумов ПТТ, а также из накопленных шумов сочленённых ЭОП и шумов видеоусилителя. Так как собственные шумы ПТТ малы [13], рассмотрим другие компоненты.

Токовую составляющую сигнала, которая соответствует накопленным ПТТ шумам сочленённых ЭОП (рис. 1, б, в, г), можно определить в условиях пренебрежения шумом времяанализирующего ЭОП соответственно из выражений:

(10)

. (11)

Оценка показывает, что в схемах рис. 1, б,в, при стробировании суперкремниконов импульсамиτ₀ = 2·10^-3сi₀ 3,8·10^-11А, а рис. 1гпри стробировании последнего усилителя яркости импульсамиτ₀ = 3·10^-3сi₀ 1,2·10^‑11 А.

Становится очевидным, что основной шум в систему вносит видеоусилитель, для которого при полосе 7,5 МГц характерны значения шумового тока ~10^-8А.

Следует заметить, что динамический диапазон этих систем можно значительно расширить медленным считыванием по памяти ПТТ с соответствующим сужением полосы видеоусилителя. При этом, однако, для достижения наилучших результатов необходимо провести отбор ПТТ с наименьшим значением темнового тока мишени или осуществить её охлаждение.