книги / Электронная оптика и электроннолучевые приборы

§10.3. ТИПЫ И КОНСТРУКЦИИ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ

ИУСИЛИТЕЛЕЙ ЯРКОСТИ ИЗОБРАЖЕНИЙ

Типичным электронно-оптическим преобразователем является при­ бор ночного видения, т. е. ЭОП, преобразующий невидимое, инфра­ красное изображение в видимое. В соответствии с этим фотокатод преобразователя должен иметь достаточную чувствительность в длинноволновой части спектра. Широко распространенный кисло- родно-серсбряно-цезиевый фотокатод имеет заметную чувствитель­ ность в инфракрасной области спектра — вплоть до длин волн 1000— 1200 нм. Поэтому во многих типах ЭОПов, предназначенных

для ночного видения, использовались					кислородно-серебряно-цезие­
				вые фотокатоды, которые находят
				применение и в настоящее						вре­
				мя. Однако недостаточная в Ряде
				случаев чувствительность в необ­
				ходимой части спектра Ag-0-Cs-
				катодов		привела		к поискам		но­
				вых, более эффективных фотока-
				тодов. Разработанные в послед­
				ние	годы		многощелочные		фото­
				катоды с высокой				чувствительно­
				стью	в		длинноволновой		части
				спектра		начинают		все шире		ис­
Рис.	10.5..	Устройства ЭОПа		пользоваться в современных пре­
с электростатической			фокусиров­	образователях.
кой	(для	ночного	видения):	Формирование изображения в
	1— фотокатод; 2 — экран			приборах			ночного	видения	чаще

всего осуществляется электроста­ тическими линзами. Применение магнитной фокусировки затруд­ нено из-за увеличения габаритов, веса прибора и значительной мощности, потребляемой электромагнитами. Эти факторы весьма существенны, так как в большинстве случаев ЭОПы для ночного видения используются в передвижных установках. Как указыва­ лось, электронно-оптическая система ЭОПа обычно состоит из двух линз — прикатодного иммерсионного объектива и иммерсионной линзы, переносящей изображение на экран.

Поскольку для получения необходимой яркости свечения экра­ на, при малом токе фотокатода ускоряющие напряжения не долж­ ны быть меньше 10— 15 кв, экраны ЭОПов можно алюминировать. Алюминирование, повышая яркость и контрастность изображения, в то же время практически исключает оптическую обратную связь. Схематическое устройство ЭОПа для ночного видения показано на рис. 10.5, а его внешний вид (рентгенограмма)— на рис. 10.6.

Повысить яркость свечения экрана ЭОПа можно за счет при­ менения последующего ускорения электронов вблизи экрана ана­ логично последующему ускорению в осциллографических трубках (см. § 7.7). Устройство ЭОПа с последующим ускорением показано на рис. 10.7.

вания. Последовательное соединение нескольких преобразователей в принципе должно позволить получить усиление яркости по край­ ней мере в тысячи раз. В простейшем случае можно недостаточно яркое изображение на экране первого ЭОПа спроектировать опти­ ческим объективом на фотокатод второго преобразователя, а по­ лученное (более яркое) изображение на экране второго прибора спроектировать на фотокатод третьего ЭОПа и т. д. Однако такой метод не нашел практического применения: во-первых, при опти­ ческом переносе изображения с экрана одного ЭОПа на фотокатод второго ЭОПа неизбежно теряется часть световой энергии; во-вто­ рых, при двукратном прохождении света через стекло колб (от слоя люминофора наружу и от оптического объектива к фотокатоду вто­ рого ЭОПа) также теряется часть светового потока и происходит рассеяние света в толще стекла, что значительно» снижает разре­ шающую способность и контрастность изображения.

Снизить потери света можно, исключив оптический объектив, пе­ реносящий изображение с экрана первого ЭОПа на фотокатод второго ЭОПа. Очевидно, надобность в оптическом объективе от­ падает, если сблизить экранное дно первого ЭОПа с катодным дном второго ЭОПа. Однако, поскольку стенки колб вакуумных приборов не могут быть достаточно тонкими, в этом случае неиз­ бежно значительное рассеяние света в толще стекла и, как следст­ вие, снижение разрешающей способности и контрастности изобра­ жения.

Указанных недостатков лишены каскадные преобразователи, в которых две или три ступени преобразования совмещены в одной вакуумной колбе, разделенной тонкими прозрачными перегородка­ ми на две или три камеры. Одна сторона перегородки покрыта люминофором и является экраном первой ступени преобразования, противоположная сторона перегородки покрыта фоточувствительным слоем и служит катодом второй ступени. Очевидно, чем тонь­ ше перегородка, тем меньше рассеяние света и тем выше разре­ шающая способность.

Аналогично коэффициенту преобразования лучистого потока для однокамерного ЭОПа [см. формулы ( 10.6) ( 10.10)] коэффи­ циент преобразования лучистого потока для двухкамерного ЭОПа определяется выражением

Фэ	(10.23)
G = — = |Т1э1Т1э2^ф1Йф2^ 1^2,
Фк
где т|Э1 и %2 — энергетический выход экранов первой	и второй ка­
мер; &ф1 и 6ф2— чувствительность первого и второго	фотокатодов;
U1 и U2— ускоряющие напряжения первой и второй	камер.

Коэффициент £<1 необходим для учета несовпадения спект­ ральных характеристик экрана первой камеры и фотокатода вто­ рой камеры.

Устройство	двухкамерного	преобразователя показано на
рис. 10.8.

В этом приборе последовательно соединены два идентичных ЭОПа, причем с целью уменьшения аберраций перегородке, несу­ щей люминофор и фотокатод, придана вогнутая форма. Как было указано, условием эффективного усиления светового потока кас­ кадным ЭОПом является возможно лучшее совмещение спектраль­ ных характеристик люминофора и чувствительности фотокатода — увеличение коэффициента £ в формуле (10.23). Удовлетворительные результаты получаются при использовании в качестве люминофора сульфида цинка, активированного серебром, имеющего максимум излучения в голубой части спектра, и сурьмяно-цезиевого фотока­ тода, обладающего максимальной чувствительностью примерно в

Рис. 10.8. Двухкамерный ЭОП

той же области спектра. Для этой пары люминофор — катод ко­ эффициент £я^0,9, что свидетельствует о хорошем совмещении спектральных характеристик.

При помощи двухкамерных преобразователей удается получить усиление светового потока в 1000 раз и более, трехкамерные пре­ образователи позволяют повысить усиление до 104. Однако разре­ шающая способность таких приборов заметно ниже по сравнению с однокамерными. Снижение разрешающей способности объясняет­ ся наличием аберраций каждой ступени преобразования и замет­ ным рассеянием света в перегородках и слоях люминофора. Раз­ решающая способность двухкамерных преобразователей с магнит­ ной фокусировкой у краев изображения обычно не превышает 15— 20 пар линий на миллиметр, у электростатических ЭОПов она в 2—3 раза меньше. Следует отметить, что разрешающая способность ЭОПов при правильно сконструированной электронно-оптической системе ограничивается не только аберрациями, но и зернистой структурой слоя люминофора. Поэтому в последние годы ведутся разработки бесструктурных экранов для преобразователей, полу­ чаемых осаждением слоя люминофора из паровой фазы.

Разрешающую способность можно значительно повысить при использовании волоконной оптики для переноса изображения с экрана на фотокатод. Волоконно-оптическая перегородка между камерами ЭОПа состоит из множества тонких стеклянных нитей — световодов, плотно упакованных в ограничивающем перегородку кольце. Свет, входящий в торец каждого стеклянного волокна, из-

за многократного полного внутреннего отражения распространяет­ ся только вдоль волокна световода и выходит с противоположного торца почти без потерь. Таким образом, нанося на одну поверх­ ность стекловолоконной пластинки слой люминофора, а на другую фоточувствительный слой, можно перенести изображение с экрана на фотокатод с очень малыми потерями света. При этом разреша­ ющая способность будет ограничиваться только размерами каждо­ го волокна — световода. В настоящее время технически возможно получение стекловолоконных пластин с диаметром световодов 5— 6 мкм. Такой диаметр волокон позволяет получить разрешающую способность порядка 100 пар линий на миллиметр, при этом внут­ ренние потери света, даже для сравнительно толстых волоконных пластин с длиной световодов 5— 6 мм, не превышают 15%. Воло­ конная оптика в сочетании с бесструктурными экранами позволяет создавать преобразователи с коэффициентом усиления света в не­ сколько десятков тысяч раз при разрешающей способности в не­ сколько десятков пар линий на миллиметр.

Некоторые конструктивные особенности имеют усилители ярко­ сти рентгеновского изображения. Поскольку рентгеновское изобра­ жение просвечиваемого объекта получается в масштабе 1 1, а сами объекты рентгеновского обследования в медицине, в дефектоскопии обычно имеют достаточно большие размеры, входной фотокатод рентгеновского ЭОПа приходится делать большим — с диаметром 200 мм и более. Предварительное оптическое уменьшение рентге­ новского изображения невыгодно, так как при этом неизбежны потери света. В то же время вполне возможно и целесообразно нанести рентгеновский люминесцирующий экран и фотокатод на разные стороны тонкой стеклянной пластинки, помещенной внутри вакуумной оболочки прибора вблизи входного дна. В этом случае рентгеновские лучи возбуждают свечение люминофора в непосред­ ственной близости от фотокатода, и при использовании тонкой пла­ стинки, разделяющей люминофор и фотослой, удается свести к минимуму рассеяние и потери света с сохранением высокой разре­ шающей способности. Так как рентгеновский экран помещается внутри колбы прибора, входное дно колбы делается из стекла, про­ зрачного для рентгеновских лучей.

Электронно-оптическая система рентгеновских преобразовате­ лей строится с таким расчетом, чтобы получить уменьшение изо­ бражения в 25— 200 раз (по площади), что дает значительный вы­ игрыш в яркости [см. формулу (10.4)]. Уменьшенное изображение на выходном экране может быть сфотографировано и затем уве­ личено оптическими средствами. Использование электронно-оптиче­ ского усиления яркости рентгеновского изображения особенно це­ лесообразно в медицинских диагностических рентгеновских уста­ новках. Усиление яркости изображения позволяет во много раз снизить дозу рентгеновского облучения пациента и существенно улучшить условия труда рентгенологов. Хорошие результаты полу­ чаются при использовании для усиления рентгеновского изображе­ ния двухкамерных каскадных ЭОПов. На рис. 10.9 приведено уст­

ройство двухкамерного усилителя яркости рентгеновского изобра­ жения.

Как видно из рисунка, электронно-оптические системы обеих ка­ мер построены по одинаковой схеме. Фокусирующие поля создают­ ся между фотокатодами и фокусирующими электродами, выполнен­ ными в виде колец проводящего покрытия на цилиндрических час­ тях колбы, а также между фокусирующими электродами и анода­ ми специальной формы. В качестве разделительной перегородки между камерами использована стекловолоконная пластинка. Такой

Рис. 10.9. Двухкамерный усилитель яркости рентгеновского изображения:

1 — рентгеновский экран; 2 — фотокатод первой камеры; 3 — экран

первой камеры; 4 — стекло-волоконная	перегородка; 5 — фотока­
тод второй камеры; 6 — экран	второй камеры

преобразователь при ускоряющем напряжении каждой камеры 25—30 кв обеспечивает усиление яркости в 200—300 тыс. раз при разрешающей способности до нескольких десятков пар линий на миллиметр.

Интересной разновидностью усилителей яркости являются раз­ работанные в последнее время приборы, в которых для усиления электронного изображения используется вторичная электронная эмиссия «на прострел». Вторичная эмиссия «на прострел» возни­ кает в случае бомбардировки быстрыми электронами тонких пле­ нок вещества при условии, что энергия первичных электронов дос­ таточна для проникновения их почти до противоположной стороны бомбардируемого слоя. При этом со стороны пленки, противополож­ ной облучаемой электронами, наблюдается выход вторичных элект­ ронов. Число вылетающих вторичных электронов в несколько раз превышает число первичных электронов, т. е. в толще пленки про­ исходит «умножение» электронного потока. При малой толщине пленки — порядка 0,1 мкм рассеяние электронов в толще пленки практически не происходит, и вторичные электроны выходят с эле­ ментов поверхности пленки, лежащих напротив элементов противо­

положной стороны, облучаемой первичными электронами. Исполь­ зование вторичной эмиссии «на прострел» позволяет перенести электронное изображение с одной стороны пленки— диноДа на другую с усилением в 5—6 раз.

Рассмотрим устройство усилителя яркости с вторично-эмиссион­ ными динодами, работающими «на прострел» (рис. 10.10).

Колба прибора имеет цилиндрическую форму. На внутренней поверхности входного дна сформирован фотокатод, на поверхность противоположного дна нанесен люминофор. В пространстве между фотокатодом и экраном размещены перегородки — диноды. Диноды

Рис. 10.10. Устройство усилителя яркости с вторично­ эмиссионными динодами

представляют собой тонкий поддерживающий слой металла (алю­ миния или золота), на который нанесена пленка вещества (толщи­ ной меньше 0,1 мкм) с достаточно большим коэффициентом вто­ ричной эмиссии «на прострел». В качестве этого вещества может быть использован, например, хлористый калий, имеющий 6 ^ 5 при энергии первичных электронов ~ 5 кэв. Для поддержки вторично­ эмиссионной пленки может служить также мелкоструктурная сетка. Фотокатод, диноды и алюминиевое покрытие экрана имеют выводы, через которые от внешнего делителя ко всем электродам прибора подводится напряжение с таким расчетом, чтобы разность потен­ циалов между соседними электродами была порядка 5—6 кв. При проектировании подлежащего усилению изображения на фотокатод выходящие фотоэлектроны ускоряются электростатическим полем и, проникая в толщу пленки динода, возбуждают вторичную эмис­ сию «на прострел». Выходящие с другой стороны первого динода вторичные электроны снова ускоряются и бомбардируют второй динод, выходящие со второго динода вторичные электроны бомбар­ дируют третий динод и т. д. Вторичные электроны, вышедшие с последнего динода, ускоряются электростатическим полем между динодом и экраном и возбуждают свечение люминофора. При ис­ пользовании пяти динодов и cr«5 начальный ток фотокатода уси­ ливается в (3—4) •103 раз. Поскольку простой преобразователь (без динодов) при переносе изображения с фотокатода на экран и ус­

коряющих напряжениях порядка 30 кв может обеспечить усиление светового потока в несколько десятков раз, полное усиление яркости изображения пятидинодным усилителем достигает ста тысяч.

Конечно, при использовании для переноса электронного изобра­ жения с фотокатода на первый динод и между динодами только продольного электростатического поля разрешающая способность прибора будет очень низкой [см. формулу (10.7)]. Поэтому для по­ лучения удовлетворительного изображения весь усилитель поме­ щается в достаточно сильное продольное однородное магнитное по­ ле, создаваемое длинным соленоидом или постоянными магнитами. Наличие магнитной фокусировки позволяет поднять разрешающую способность до 30—40 пар линий на миллиметр. Особенностью та­ ких усилителей является отсутствие геометрических аберраций, по­ скольку в приборе нет электронных линз (продольные однородные электростатические и магнитные поля не образуют линз), изобра­ жение одинаково четко на всей поверхности экрана. Конечно, нали­ чие разброса начальных скоростей фото- и вторичных электронов снижает разрешающую способность, поэтому можно сказать, что качество изображения определяется хроматической аберрацией системы переноса. Достоинством усилителей с динодами является их сравнительная (по отношению к многокамерным ЭОПам) прос­ тота, так как в этих приборах необходимо сформировать только один фотокатод и один экран. К недостаткам следует отнести не­ обходимость магнитной фокусировки, что приводит к использованию внешнего соленоида или постоянных магнитов, значительно увели­ чивающих габариты и вес прибора.

Г Л А В А О Д И Н Н А Д Ц А Т А Я

ПОТЕНЦИАЛОСКОПЫ

§ 11.1. НАЗНАЧЕНИЕ И ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ ПОТЕНЦИАЛОСКОПОВ

Потенциалоскопами называются электроннолучевые приборы, предназначенные для накопления («запоминания», записи) опреде­ ленной информации и последующего ее воспроизведения. В соответ­ ствии с этим определением потенциалоскопы могут быть названы также накопительными трубками, запоминающими трубками или трубками памяти.

Потенциалоскопы находят широкое применение в радиолокаци­ онных индикаторных устройствах, специальных осциллографах с длительным сохранением изображения исследуемого сигнала, в те­ левидении для преобразования телевизионного изображения с од­ ним стандартом разложения (с одним числом строк) в изображение с другим стандартом, в счетно-решающей технике как элементы памяти, в устройствах автоматики, телемеханики и программиро­ ванного управления различными процессами.

В основе действия большинства потенциалоскопов лежит двой­ ное преобразование информации: 1) преобразование последова­ тельности входных сигналов, содержащих необходимую информа­ цию, в распределение электрических зарядов по поверхности ми­ шени— потенциалоносителя, иными словами, создание на поверх­ ности мишени определенного потенциального рельефа; 2) преобра­ зование потенциального рельефа на мишени в последовательность выходных сигналов, достаточно точно воспроизводящих введенную информацию.

Первое преобразование в общем случае носит название записи информации. Второе преобразование называют считыванием или воспроизведением информации. Кроме записи и считывания, в неко­ торых типах потенциалоскопов имеет место третья, вспомогатель­ ная операция — стирание, при которой потенциальный рельеф унич­ тожается, что бывает необходимо для подготовки потенциалоскопа к записи новой информации.

Информация, подлежащая записи, вводится в потенциалоскоп в виде последовательности электрических импульсов или путем про­ ектирования на фоточувствительную мишень оптического изобра­ жения. Считываемая информация выводится из потенциалоскопа в виде п т ледовательности электрических импульсов. Иногда она пре­ образуется в видимое изображение, рассматриваемое на экране.

Время сохранения записанной информации может изменяться в широких пределах — от долей секунды до нескольких часов и даже дней. Точно так же число считываний может изменяться от одного