2.5 Электронно-оптический преобразователь.

(Усилитель света).

Схема устройства данного электровакуумного прибора была предложена в начале тридцатых годов прошлого столетия. Полупрозрачный фотокатод и флюоресцирующий экран нанесены на донья стаканов (рис.4.5) образующих замкнутый объем в котором создан вакуум. Между фотокатодом и экраном (анодом) прикладывается разность потенциалов в 10-15 кВ. При освещении фотокатода он становится источником фотоэлектронов, которые под действием ускоряющего поля устремляются по направлению к экрану, бомбардируют его и вызывают свечение. Если на поверхность фотокатода спроецировано изображение, какого либо предмета, то фотоэлектронная эмиссия из каждой точки катода будет пропорциональна его освещённости. 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. Однако качество изображения на экране по контрастности, и разрешению будет существенно хуже первичного изображения на фотокатоде по следующей причине.

Разрешающая сила картины, получаемой на экране, оказывается ограниченной из-за действия хроматической аберрации. Разброс в начальных скоростях электронов в соответствии с уравнением Эйнштейна для фотоэффекта достигает в видимой области спектра 0,5-1,0 эВ; в результате точечный источник элек-

Рис.4.5. Схематическое изображение простейшего

электронно-оптического преобразователя.

тронов на фотокатоде изобразится в виде пятнышка на экране. Траектории электронов в однородном поле представляют собой параболы, и простой расчет приводит к формуле для диаметра кружка:

, (1.5)

где l – расстояние между фотокатодом и экраном; U₀ – разность потенциалов, отвечающая разбросу в тангенциальных значениях скорости, U – ускоряющая

разность потенциалов. При l=1cм, U₀=1В и U=10⁴В точка фотокатода на экране изобразится в виде пятна диаметром 0,4мм, т. е. изображение, проецируемое на фотокатод, будет размытым. Следовательно, использование такого прибора для практических целей нецелесообразно.

Однако, если в данном приборе провести электронно-оптическую фокусировку даже однородным полем, то диаметр кружка размытия определится из равенства:

, (2.5)

где Е₀-напряженность электрического поля вблизи катода. При реально возможных значениях U₀=1B и E₀=10⁴ В/см величина d=0,001мм. В этом случае разрешающая сила прибора оказывается ограниченной только зернистостью экрана и другими факторами, не связанными с электронно-оптическими эффектами.

Принципиальная схема электронно оптического преобразователя с системой электродов (электростатических линз) позволяющих уменьшить изображение, приведена на рис. 5.5. Наибольшая ценность данного прибора проявляется в возможности получения изображения проецируемого на фотокатод в инфракрасном свете – невидимое глазом изображение будет наблюдаться на экране в виде светящейся картины. Яркость изображения возрастает с увеличением плотности электронного тока, которая пропорциональна квадрату линейного уменьшения. Кажущиеся размеры картины на экране можно снова увеличить до исходных размеров с помощью обычной оптики без существенной потери в яркости. Другая возможность состоит в том, что промежуточное электронное изображение можно с большим удобством, чем оптическое подвергать быстрой развертке, что очень важно в телевизионной технике.

Рис. 5.5. Электронно-оптический преобразователь с уменьшением изображения.

Наконец промежуточное электронное изображение может быть усилено, что открывает перспективы усиления яркости светового изображения, т.е. дает решение задачи, принципиально не разрешимой в рамках обычной оптики.

Несравненно большее усиление яркости может быть получено в каскадных системах «контактного типа» рис. 6.5. В данном приборе изображение проецируемое на фотокатод К₁переносится на экран М₁ с помощью первой электронной линзы. Оптическое изображение, возникающее на экране М₁, создает электронное изображение на катоде К₂, который находится с ним в оптическом контакте.

a б

Рис. 6.5. а). Элемент каскадного усилителя света. б). Трехкаскадный усилитель света. К₁,К₂,К₃-полупрозрачные фотокатоды; М₁,М₂,М₃-полупрозрачные экраны.

Предположим, что чувствительность фотокатода составляет  ампер на люмен, светоотдача экрана -  люменов на ватт и ускоряющая разность потенциалов, приложенная между фотокатодом и экраном U вольт. Если приходящий на элемент (рис.6.5,а) электронный ток равен i₁, а уходящий – i₂, то усиление имеет место при условии i₁/i₂1. Но поскольку i₂=i₁U, то усиление на элементе будет только в случае U1. Для количественной оценки усиления света на одном каскаде примем: для хорошего сурьмяно-цезиевого фотокатода величину =410^-5А/лм, для полупрозрачного экрана величину =20 лм/вт. Тогда увеличение интенсивности будет достигнуто при ускоряющем напряжении U2,5кВ, а например при 20кВ на каждом каскаде, общее усиление, в приборе, изображенном на рис. 6.5,б должно быть порядка 8³≈500 (в приборе три каскада усиления: два промежуточных и один образуемый первичным катодом К₁ и конечным экраном М₂).

В настоящее время каскадные усилители света строятся с общим усилением до 10⁵ при рабочем напряжении 20кВ на каскаде. Наличие нескольких каскадов, хотя и снижает разрешающую способность прибора, но использование тонких мембран (рис. 6.5,а) и мелкозернистых экранов позволяет получать в четырехкаскадной системе разрешение порядка 10 штрихов на миллиметр. Полупрозрачный металлический экран на элементе (рис.6.5,а) предусмотрен для ликвидации обратной оптической связи, т.е. обратной засветки излучением экрана предыдущего фотокатода. Он представляет собой тонкую алюминиевую пленку прозрачную для быстрых электронов и непрозрачную для света.

В настоящее время техника усиления света развита ещё 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 по тому, что они посылают в глаз слишком мало света. Решение первых двух задач было найдено в рамках обычной геометрической оптики, решение третей задачи, лежит за пределами возможностей световой оптики, и было осуществлено только в результате использования законов электронной оптики.