книги / Электронная оптика и электроннолучевые приборы

шени может достигнуть —0,1-=----0,2 в относительно катода. В этих условиях электроны перестают доходить до мишени, отражаются от нее и улавливаются проводящим покрытием, так как даже при невысоком положительном потенциале проводящего покрытия у всей поверхности мишени имеется ускоряющее (от мишени) поле.

При проектировании на мишень оптического изображения с поверхности ее начинают испускаться фотоэлектроны. Наличие ус­ коряющего поля делает фотоэмиссию насыщенной, и все фотоэлект­ роны уходят на проводящее покрытие или второй анод прожекто­ ра. Благодаря уходу фотоэлектронов элементы мишени заряжают­ ся положительно — равновесный (нулевой) потенциал мишени искажается (неравновесная запись). Так как число уходящих фо­ тоэлектронов пропорционально падающему на мишень световому потоку, заряд, накапливаемый элементами мишени, будет воспро­ изводить распределение яркости в передаваемом изображении. Таким образом, на поверхности мишени создается потенциальный рельеф, причем наиболее светлым местам изображения будет со­ ответствовать наибольший положительный потенциал.

При развертке электронным пучком освещенной поверхности мишени электроны нейтрализуют накопленный положительный за­ ряд, элементарные конденсаторы разряжаются и в цепи сигналь­ ной пластинки создается видеосигнал. Таким образом, электронный луч перезаряжает элементы мишени, доводя их потенциал до рав­ новесного значения (перезарядное считывание).

Очевидно, для доведения потенциала мишени до равновесного значения число электронов, приходящее на данный элемент мише­ ни, должно равняться числу ушедших с этого элемента фотоэлект­ ронов. Избыточные электроны пучка просто не дойдут до мишени и будут уловлены проводящим покрытием.

Поскольку в ортиконе фотоэмиссия является насыщенной, отсут­ ствует эффект перераспределения зарядов, сглаживающий потен­ циальный рельеф на мозаике, и чувствительность ортикона оказы­ вается в несколько (до 20) раз больше чувствительности иконо­ скопа.

Световая характеристика ортикона линейна (у = 1 ), что явля­ ется некоторым недостатком. В то же время при запертом луче прожектора выходной сигнал обусловливается только фотоэлект­ ронами, поэтому он равен сигналу, создающемуся при коммутации неосвещенного элемента мозаики. Таким образом, ортикон обес­ печивает автоматическое воспроизведение уровня черного.

Нормальная работа ортикона возможна в том случае, когда коммутирующий луч полностью перезаряжает (доводит до равно­ весного состояния) мишень за один период развертки. При боль­ ших яркостях передаваемого объекта потеря фотоэлектронов, а

В этом случае потенциал ярких элементов начнет повышаться; если

он превысит первый критический потенциал, то коэффициент вто­ ричной эмиссии станет больше единицы и коммутация приведет к еще большему повышению потенциала за счет вторичной эмиссии. Уменьшение освещенности не приводит к установлению равновес­ ного потенциала — на изображении будет устойчиво держаться белое пятно, не зависящее от характера передаваемого объекта. Образовавшееся белое пятно имеет тенденцию распространения по всему изображению, в результате чего работа ортикона становится неустойчивой при больших яркостях передаваемого объекта.

Устранить возможность появления белого пятна можно, повы­ шая ток коммутирующего луча. Однако при ускоряющем напря­ жении 100— 200 в и токе более нескольких десятых микроампера фокусировка становится затруднительной. Поэтому для обеспече­ ния необходимой разрешающей способности приходится работать с малыми токами пучка.

Несмотря на более высокую по сравнению с иконоскопом чув­ ствительность, ортикон не получил широкого распространения главным образом из-за несколько меньшей разрешающей способ­ ности и неустойчивой работы (возможности появления белого пят­ на) при больших освещенностях объекта.

На основе ортикона была разработана трубка с переносом изо­ бражения и вторично-электронным умножением — суперортикон, значительно превосходящая ортикон по всем параметрам (кроме простоты настройки) и получившая наиболее широкое распрост­ ранение.

§ 12.6. ИКОНОСКОП С ПЕРЕНОСОМ ИЗОБРАЖЕНИЯ (СУПЕРИКОНОСКОП)

Недостаточная чувствительность иконоскопа привела к ряду усо­ вершенствований этой в общем удовлетворительной трубки. Наибо­ лее удачным усовершенствованием иконоскопа явилось введение в эту трубку одной ступени электронно-оптического преобразова­ ния изображения, предложенное в 1938 г. советскими учеными П. В. Тимофеевым и П. В. Шмаковым. С тех пор эта трубка, наз­

стоящее время используется главным образом для передач из те­ левизионных студий. Основными достоинствами супериконоскопа является высокая разрешающая способность и достаточно высокая чувствительность, — примерно в 10 раз большая, чем у обычного иконоскопа.

Высокая разрешающая способность супериконоскопа объясня­ ется высокой разрешающей способностью сплошного (не мозаич­ ного) фотокатода и сравнительно большим размером мишени. По­ вышение чувствительности по сравнению с иконоскопом достига­ ется использованием более чувствительного сплошного фотокатода, насыщением фототока и электронным усилением изображения при переносе его с фотокатода на мишень.

Супериконоскоп является передающей трубкой с накоплением

заряда, переносом изображения, разверткой быстрыми электрона­ ми, записью и считыванием, перераспределением зарядов по по­

верхности мишени. Схематически устройство супериконоскопа по­ казано на рис. 12.11.

Колба супериконоскопа состоит из двух цилиндров разных ра­ диусов. В более широком цилиндре расположена мишень, узкий цилиндр заканчивается плоским дном, на внутреннюю поверхность которого нанесен фотокатод. В месте соединения широкого и уз­ кого цилиндров приварена гор­

под меньшим углом к оси кол­ бы, что улучшает условия коммутации. В супериконоскопах угол

между осью прожектора и нормалью к поверхности мишени со­

ставляет 20—25° В супериконоскопах применяют прожектор с магнитной фоку­

сировкой, собранный по простой триодной системе. Анодное на­ пряжение прожектора 1000— 1200 в, ток луча 0,1— 0,3 мка. Для отклонения луча используется магнитное поле, создаваемое двумя парами катушек, расположенных на горловине трубки. Для умень­ шения полей рассеяния и предотвращения влияния отклоняющих полей на расположенную поблизости секцию переноса изображе­ ния отклоняющую систему заключают в ферромагнитный экран.

Фотокатод супериконоскопа формируется на плоском дне уз­ кого цилиндра колбы. Так как секция переноса изображения до­ пускает электронное увеличение изображения в 2—4 раза, площадь фотокатода может быть меньше площади мишени. Небольшие размеры фотокатода позволяют применять короткофокусные ши­ рокоапертурные оптические объективы, создающие необходимую освещенность фотокатода при сравнительно небольших яркостях передаваемого объекта. В то же время качество оптического изо­ бражения на небольшой поверхности может быть весьма высоким.

однородным магнитным полем в секции переноса, позволяющим получить на мишени увеличенное в 2—3 раза электронное изобра­ жение фотокатода. Некоторое увеличение изображения целесооб­ разно, так как в этом случае можно получить более высокую раз­ решающую способность. Кроме того, при развертке большой по­ верхности электронным лучом размер пятна может быть не очень малым.

В секции переноса изображения используется неоднородное продольное магнитное поле, убывающее от катода к мишени. Для основных траекторий электронов убывающее поле является рассе­ ивающей линзой, тогда как для смежных траекторий имеет место эффект фокусировки (см. § 1.5). Таким образом, совмещая путем подбора соотношения напряженности электрического поля и маг­ нитной индукции узлы смежных траекторий с поверхностью ми­ шени, можно получить на мишени увеличенное электронное изо­ бражение фотокатода. Так как основные траектории «закручива­ ются» магнитным полем, все изображение оказывается повернутым на некоторый угол. Ввиду разделения функций преобразования оп­ тического изображения в электронное и накопления заряда между фотокатодом и мишенью мишень супериконоскопа не должна об­ ладать фоточувствительностью. В то же время коэффициент вто­ ричной эмиссии мишени должен быть достаточно высок при энер­ гии первичных электронов 1000— 1200 эв, поскольку развертка ми­ шени осуществляется быстрыми электронами. Для сохранения потенциального рельефа (предотвращения «растекания» заряда) поперечная проводимость поверхности мишени должна быть воз­ можно малой. Для обеспечения высокой разрешающей способно­ сти поверхность мишени должна быть по возможности бесструк­ турной (однородной). И, наконец, для возможности накопления достаточного заряда желательно, чтобы емкость мишени была не менее 100—200 пф/см2.

Этим требованиям удовлетворяет тонкая пластинка диэлектри­ ка, покрытая с одной стороны проводящим покрытием (сигнальной пластинкой). Практически мишень супериконоскопа представляет собой металлическую пластинку, покрытую тонким слоем непро­ водящего окисла (например, MgO) или другого диэлектрика с вы­ соким коэффициентом вторичной эмиссии. Используется также тон­ кая слюда, покрытая с одной стороны слоем окиси магния, а с другой — слоем серебра, образующим сигнальную пластинку. Пе­ ренос изображения с ф.отокатода на мишень обеспечивает (за счет режима а > 1) электронное усиление в 3—5 раз.

Однако, так же как и в иконоскопе, созданию достаточно глу­ бокого потенциального рельефа в трубке с переносом изображения препятствует перераспределение вторичных электронов, сглажива­ ющих потенциальный рельеф. Таким образом, и в супериконоскопе ток электронов, уходящих с мишени, является ненасыщенным. Од­ нако ввиду более высоких (по сравнению со скоростями фотоэлект­ ронов) начальных скоростей вторичных электронов большая доля вторичных электронов достигает коллектора. В некоторых типах

супериконоскопов вблизи поверхности мишени устанавливается металлическая рамка, имеющая отдельный вывод. Регулировкой напряжения этой рамки (в пределах ±20 в относительно коллек­ тора) можно несколько изменять электростатическое поле у мише­ ни, подбирая оптимальные условия для формирования электрон­ ного изображения и более равномерного перераспределения вто­ ричных электронов по поверхности мишени, что существенно для уменьшения паразитного сигнала (черного пятна).

Так как развертка в супериконоскопе производится пучком бы­ стрых электронов, при развертке неосвещенной поверхности мише­ ни коммутируемый элемент приобретает потенциал на несколько вольт выше потенциала коллектора. Но, как и в иконоскопе, по­ тенциал прокоммутированного элемента начинает понижаться за счет возвращающихся на мишень перераспределяющихся вторич­ ных электронов. В общем характер записи и считывания изобра­ жения в супериконоскопе принципиально не отличается от харак­ тера этих процессов в иконоскопе. Различие состоит лишь в том, что при записи потенциальный рельеф создается вторичными элект­ ронами, а не фотоэлектронами, как в иконоскопе. Однако за счет более высокой чувствительности сплошного фотокатода, электрон­ ного усиления изображения в секции переноса и относительно луч­ шего отбора вторичных электронов коллектором выходной сигнал супериконоскопа оказывается в 8— 10 раз больше выходного сиг­ нала иконоскопа при той же освещенности передаваемого объекта.

Световая характеристика супериконоскопа аналогична свето­ вой характеристике иконоскопа, т. е. она линейна при небольших освещенностях фотокатода (примерно до 10 лк). Затем выходной сигнал начинает расти медленнее роста освещенности, так как при больших освещенностях сглаживание потенциального рельефа пе­ рераспределяющимися вторичными электронами более заметно.

К недостаткам супериконоскопа следует отнести наличие чер­ ного пятна и возможные искажения при переносе изображения с фотокатода на мишень.

§12.7. 0РТИК0Н С ПЕРЕНОСОМ ИЗОБРАЖЕНИЯ (СУПЕР0РТИК0Н)

Внастоящее время наиболее распространенной передающей труб­ кой как для студийных, так и для внестудийных (натурных) теле­ передач является суперортикон (ортикон с переносом изображе­ ния). По большинству параметров суперортикон превосходит дру­ гие виды передающих трубок. В этой трубке использованы накоп­ ление заряда, усиление изображения за счет переноса с фотокато­ да на мишень и вторично-электронное усиление выходного сигна­ ла. Особенностью суперортикона является наличие двусторонней мишеиии, с одной стороны которой производится запись — накоп­ ление заряда, а с другой стороны — считывание. Так же как и в ортиконе, в этой трубке применяются неравновесная запись и пе­ резарядное считывание.

В суперортиконе использованы следующие факторы, позволяю­ щие значительно увеличить чувствительность: сплошной высоко­ чувствительный фотокатод, насыщенный фототок, усиление за счет переноса изображения, эффективное улавливание сеткой вто­ ричных электронов с мишени (при небольших освещенностях), пе­ резарядное считывание пучком медленных электронов (о < 1 ), вто­ рично-электронное усиление сигнала. Благодаря перечисленным

электрод; 4 — фокусирующая катушка; 5 — подстроечная ка­

Устройство Суперортикона схематически показано на рис. 12.12. Все элементы суперортикона собираются в длинной цилиндричес­ кой колбе сравнительного небольшого диаметра. Со стороны мишени колба делается более широкой. Узкая часть колбы закан­ чивается плоским дном — ножкой с вводами, через которые осуще­ ствляется соединение электронов прожектора и вторично-электрон­ ного умножителя с внешней схемой. Широкая часть колбы закан­ чивается плоским дном из оптического стекла, на внутреннюю поверхность которого наносится сплошной полупрозрачный (рабо­ тающий на просвет) слой — фотокатод. В переходной части от ши­ рокого к узкому цилиндру имеются дополнительные штырьки — вводы, через которые осуществляется соединение с внешней схемой фотокатода, ускоряющего электрода, сетки мишени и тормозящего электрода. Большая часть внутренней поверхности узкого цилинд­ ра имеет проводящее покрытие с потенциалом анода прожектора. Прожектор суперортикона должен обеспечить получение луча с то­ ком до 1—2 мка при диаметре в плоскости мишени не более 30— 40 мкм. Прожектор обычно собирается по простой триодной схеме.

Анодная диафрагма прожектора имеет отверстие диаметром 30—50 мкм. За диафрагмой пучок формируется при помощи про­

дольного однородного магнитного поля в луч с почти параллельны­ ми траекториями электронов. Таким образом, диаметр пучка опре­ деляется в основном диаметром анодной диафрагмы. Наружная поверхность анодной диафрагмы является первым эмиттером Дто- рично-электронного умножителя.

Для отклонения луча используются две пары длинных катушек, создающих приблизительно однородные поперечные поля. КРоме того, в области анода прожектора снаружи трубки устанавлива­ ются корректирующие (подстроечные) катушки, создающие корот­ кие поперечные магнитные поля. Регулированием тока этих Кату­ шек можно в небольших пределах отклонять луч для подбора наилучшего режима прохождения электронов сквозь аноднуК? ди­ афрагму, а также воздействовать на электроны, возвращающиеся от мишени, для обеспечения наиболее полного улавливания и* Пер­ вым эмиттером умножителя — анодной диафрагмой прожектора.

Двусторонней мишенью является весьма тонкая пластинка (толщиной 4— 5 мкм), изготовляемая в большинстве суперортпконов из специального стекла с повышенной электропроводностью. Благодаря очень малой толщине поперечное сопротивление оказы­ вается небольшим и потенциальный рельеф, формируемый ни од­ ной стороне мишени, переходит за счет поперечной проводимости на другую ее сторону. В то же время поверхностное (продольное) сопротивление мишени является достаточно большим, и заметного «растекания» заряда по поверхности мишени за время передачи кадра не происходит. Таким образом, потенциальный рельеф, соз­ данный при записи на стороне мишени, обращенной к фотокатоду, переходит на другую ее сторону (обращенную к прожектору). При этом поперечная проводимость мишени обеспечивает достаточно полное соответствие распределения потенциала на обеих сторонах мишени, а большое продольное сопротивление препятствует быст­ рому сглаживанию потенциального рельефа.

Для отбора вторичных электронов с мишени со стороны записи (секции переноса изображения) в непосредственной близости к по­ верхности мишени устанавливается мелкоструктурная сетка. По­ верхность мишени и расположенная вблизи нее сетка образуют кон­ денсатор, накапливающий электрический заряд при записи.

В суперортиконах могут использоваться различные типы фото­ катодов, обладающие высокой чувствительностью. Наиболее расп­ ространены кислородно-серебряно-цезиевые, сурьмяно-цезиевые, висмуто-кислородно-серебряно-цезиевые, а также многощелочные фотокатоды.

Изображение с фотокатода переносится на мишень продоль­ ным магнитным полем. Это поле является продолжением фокуси­ рующего поля, формирующего считывающий электронный пучок с другой стороны мишени. Для получения высокой чувствительности, все электроны, эмиттированные фотокатодом, должны достигнуть мишени, т. е. фотоэмиссия должна быть насыщенной. Для получе­ ния насыщенного фототока используется ускоряющее электро­ статическое поле, образуемое сеткой и цилиндром мишени, по от-

ношению к которым фотокатод имеет отрицательный потенциал (от —250 до — 500 в ).

Секция переноса в суперортиконе должна обеспечивать неиска­ женный перенос изображения с фотокатода на мишень. Кроме то­ го, наличие в непосредственной близости к поверхности мишени сетки требует, чтобы электроны падали на поверхность мишени под прямым углом. В секции переноса действуют два поля — практически однородное продольное магнитное поле и не вполне однородное электростатическое поле, ускоряющее фотоэлектроны.

Строго говоря, неискаженный перенос изображения возможен лишь при условии, что оба поля являются однородными и совпа­ дают по направлению. Неоднородность электростатического поля в реальных трубках всегда вызывает некоторые искажения изо­ бражения. Для уменьшения этих искажений между фотокатодом и цилиндром мишени устанавливают короткий электрод, обычно называемый ускоряющим. Этот электрод позволяет значительно приблизить электростатическое поле к однородному. Потенциал ускоряющего электрода имеет промежуточное значение между по­ тенциалами фотокатода и сетки мишени. Регулировкой потенциа­ ла ускоряющего электрода удается получить перенос изображения

сминимальными искажениями.

Вреальных суперортиконах магнитное поле в секции переноса

также нельзя сделать достаточно однородным. Напряженность поля у мишени оказывается несколько выше, чем у фотока­ тода, что объясняется близостью к фотокатоду края катушки. Углубить фотокатод в катушку не представляется возможным, так как край катушки в этом случае будет препятствовать размещению оптического объектива. Следует иметь в виду, что короткофокус­ ные светосильные объективы должны быть расположены близко к поверхности фотокатода, чтобы создавать резкое уменьшение изо­ бражение объекта.

Уменьшение напряженности поля у катода приводит к тому, что изображение переносится на мишень с уменьшением (М = 0,85—

—0,9). Конечно, при этом имеет место также небольшой поворот изображения (3—5°).

Таким образом, электронные траектории в секции переноса изображения в суперортиконе подобны траекториям в супериконо­ скопе. Разница заключается лишь в том, что в супериконоскопе получается увеличенное изображение за счет уменьшения магнит­ ного поля, а в суперортиконе — уменьшенное изображение за счет увеличения магнитной индукции.

Уменьшение изображения невыгодно, так как при том же раз­ мере считывающего пучка уменьшается разрешающая способность. Кроме того, чем меньше рабочая поверхность мишени, тем меньше емкость сетка — мишень, т. е. тем меньше накапливаемый заряд.

Увеличение емкости за счет приближения сетки к мишени име­ ет место лишь до расстояний 30—20 мкм (при размерах отверстий сетки того же порядка). Дальнейшее приближение привело бы к увеличению емкости лишь при условии пропорционального умень-

шеиия размера отверстий сетки. И то и другое представляет тех­ нологические затруднения. Поэтому увеличение емкости может быть достигнуто за счет увеличения рабочей поверхности мишени (суперортикон с увеличенной мишенью). Увеличение размеров ми­ шени ограничивается необходимостью иметь небольшие углы от­ клонения считывающего пучка. В суперортиконе с увеличенной мишенью линейное увеличение в секции переноса изображения со­ ставляет около 1,5. При этом емкость мишени увеличивается почти в три раза, что позволяет улучшить отношение сигпал/шум при небольших освещенностях объекта. В суперортиконах с увели­ ченной мишенью магнитное поле в секции переноса изображения, как и в супериконоскопе, имеет максимум напряженности у катода. Однако у мишени поле не спадает до нуля, а становится однород­ ным и достаточным по величине для фокусировки считывающего пучка.

Качество изображения, создаваемого суперортиконом, в значи­ тельной мере определяется секцией переноса. Электронное изобра­ жение на мишени должно быть настолько четким, чтобы разреша­ ющая способность определялась диаметром считывающего пучка, а не качеством изображения на мишени. Нечеткость изображения на мишени может являться следствием неоднородностей электро­ статического и магнитного полей в секции переноса, а также ре­ зультатом аберраций этой электронно-оптической системы. Особен­ но сильно сказываются нарушения осевой симметрии полей, воз­ никающие за счет неточной сборки системы: мишень— сетка — цилиндр мишени — ускоряющий электрод.

Геометрические аберрации в секции переноса, как правило, не­ значительны. Это объясняется тем, что электростатическое и маг­ нитное поля в секции переноса практически однородны и, как показывают расчет и эксперименты, кружки рассеяния за счет аберрации меньше диаметра считывающего пучка и не ограничи­ вают разрешающую способность.

Однако из-за разброса начальных скоростей фотоэлектронов, покидающих катод, в секции переноса имеет место заметная хро­

аберрацией становится заметным. Так как уменьшить разброс на­ чальных скоростей нельзя, уменьшение хроматической аберрации возможно лишь за счет увеличения магнитной индукции и ускоря­ ющего напряжения в секции переноса. Увеличение магнитного по­ ля во всей трубке путем увеличения тока в катушке или числа витков нецелесообразно, так как для сохранения фокусировки требуется соответствующее увеличение напряжений всех электро­ дов и амплитуды тока в отклоняющих катушках. Поэтому в неко­ торых случаях целесообразно усилить магнитное поле в секции переноса. Для этого применяется дополнительная катушка в обла­ сти между фотокатодом и мишенью. С той же целью можно не­ сколько повысить разность потенциалов между катодом и сеткой мишени. Однако величина этой разности свыше 500 в может вы­