книги / Электронная оптика и электроннолучевые приборы

Ввиду ненасыщенности фототока и тока вторичной эмиссии зна­ чительная часть фотоэлектронов и вторичных электронов возвра­ щается на мозаику, вызывая перераспределение зарядов. Все это определяет сложность количественной теории работы иконоскопа. Можно лишь приближенно оценить величины токов, участвующих в создании видеосигнала. С освещенного элемента мозаики, не на­

ходящегося под электрон-
ным лучом,		уходят фото­				U.B
электроны, создающие по­
						3
ложительный ток				Гфп.	В				\
то же время на этот же
элемент		возвращаются					\уvW
вторичные		электроны			с				N
других	элементов			мозаи­				\v
ки и частично фотоэлект­								V
роны, что создает отрица­
тельные ТОКИ 1ф п' И *2п '							О,Of		~0,0Ч	0,05 t.cex
Предположим, что рас­
сматриваемый				элемент		-/
мозаики имеет			площадь
ds. Тогда		если		мозаика
имеет	емкость		по отно­			Рис. 12.6. Изменение потенциала осве­
шению к сигнальной пла­						щенного		(/) и	неосвещенного	(2)	эле­
стинке	С0	на	1	см2 по­				ментов мозаики
верхности,		то	изменение			времени		может	быть записано		в виде
потенциала		элемента ds во
				сШ		.	. г	. г
						1фп	*2п	1фп			( 12. 12)
				~dt	о		Cods

Неосвещенный и некоммутируемый электронным лучом эле­ мент мозаики не отдает электроны, но на него возвращаются вто­ ричные электроны и фотоэлектроны с соседних освещенных и ком­ мутируемых элементов i'zn и /'ф„. Изменение потенциала этого элемента запишется как

d U	I	1фп -f- t*2n
dt	I ц	(12.13)
		CQds

Сравнение выражений (12.12) и (12.13) показывает, что осве­ щение мишени приводит к изменению распределения потенциала на мозаике, т. е. к созданию потенциального рельефа.

При коммутации элемента мозаики электронным лучом на эле­ мент приносятся электроны, и в то же время с этого элемента ухо­ дят вторичные электроны. При этом потенциал элемента быстро изменяется от нулевого или небольшого отрицательного (относи­ тельно коллектора) значения до некоторого положительного зна-

AU =	(12-14)
C0ds
где i„— ток луча; т — время нахождения луча	на данном эле­

менте.

При передаче 25 кадров в секунду и телевизионном стандарте 600 строк время нахождения луча на одном элементе разложения изображения будет равно

Т0 04

т= — ----------— ------ да 0,8-10 -7 сек.

П4

—(600)2

При токе луча 0,2 мка и коэффициенте вторичной эмиссий мо­ заики а = 5 i'2n/ = l мка. Емкость мозаики в среднем составляет 100 пф/см2. Площадь элемента изображения для стандартной мо­ заики (9X12 см) при 600-строчном разложении равна

ds =	— — —	да 2,2-10-4 см2.
	1-(600)2
Тогда
dU =	10-® -0,2-10-в -0,8-10 -7 Ъв.
	10- 10- 2,2 - 10-4

Опыт показывает, что потенциал мозаики при коммутаций из­ меняется в пределах от — (0,5-1-1) до + (2-1-3) в, что подтверждает правильность приведенного расчета. Однако хорошее совпадение расчетных и экспериментальных данных показывает также, что, по-видимому, ток вторичной эмиссии с элемента мозаики непосред­ ственно перед коммутацией является насыщенным, так как при рас­ чете не учитывался ток возвращающихся на мозаику электронов. Насыщенность вторично-эмиссионного тока с данного элемента мо­ жет быть объяснена наличием вблизи элемента только что комму­ тированных элементов, имеющих вследствие этого более высокий потенциал и способность воспринять значительную долю вторичных электронов, уходящих с коммутируемого элемента. Это предполо­ жение справедливо и для фототока с освещенного элемента мозаи­ ки непосредственно перед коммутацией. Однако время существо­ вания насыщенного фототока очень мало по сравнению с периодом кадровой развертки. Поэтому в общем случае фототок можно счи­ тать ненасыщенным. Экспериментально найдено, что при неболь­ ших освещенностях средний фототок с освещенных элементов мо­ заики составляет 20— 25% тока насыщения. Ненасыщенность фото­ тока заметно влияет на выигрыш в чувствительности за счет на­ копления заряда.

При коммутации освещенного элемента мозаики образуется ви­ деосигнал. Потенциал освещенного элемента мозаики вследствие потери фотоэлектронов за время между коммутациями снижается медленнее, чем потенциал неосвещенных элементов [см. выражения (12.12) и (12.13)]; в результате к моменту коммутации он оказы­ вается выше потенциала неосвещенных элементов. Коммутирующий луч изменяет потенциал освещенного элемента практически на ту же величину, что и неосвещенного элемента.

Таким образом, после коммутации освещенный элемент оказы­ вается более положительным. Непосредственно за коммутацией на этот элемент устремляются вторичные электроны и фотоэлектроны с соседних элементов, и ток в цепи коллектора уменьшается. Умень­ шение тока коллектора сопровождается импульсом емкостного тока в цепи сигнальной пластинки. Изменяющийся емкостный ток, про­ ходя по сопротивлению в цепи сигнальной пластинки, создает на нем падение напряжения, являющееся видеосигналом.

Очевидно, видеосигнал будет иметь тем большую амплитуду, чем выше потенциал освещенного элемента перед коммутацией. Однако, как это видно из выражения (12.12), скорость нарастания потенциала освещенного элемента значительно снижается за счет возвращающихся на этот элемент вторичных электронов и фото­ электронов. Опытным путем установлено, что 70— 75% накапли­ ваемого заряда нейтрализуется перераспределяющимися электро­ нами и только около 25% участвует в создании видеосигнала. Та­ ким образом, видеосигнал не превышает lU теоретически возмож­ ного.

Следовательно, реальный видеосигнал оказывается значитель­ но меньше теоретического из-за влияния двух факторов — ненасы­ щенное™ фототока и сглаживания потенциального рельефа вслед­ ствие перераспределения электронов. Практически повышение чув­ ствительности за счет накопления заряда составляет всего 3—6% теоретически ожидаемой величины. Однако даже при таком не­ большом к. п. д. иконоскопа выигрыш в чувствительности по срав­ нению с системами поочередного действия без накопления заряда составляет (при разложении на 600 строк)

(б00)2~ - 0 ,0 5 = 24 000.

О

Этот пример показывает, что, несмотря на низкий к. п. д., ико­ носкоп является значительно более совершенным устройством для передачи изображения, чем система без накопления заряда. При низких уровнях освещенности световая характеристика иконоскопа близка к линейной. Однако по мере роста освещенности мозаики условия отбора фотоэлектронов коллектором ухудшаются. Кроме того, ярко освещенные элементы мозаики, имеющие более высокий положительный потенциал, интенсивнее засеваются вторичными электронами с соседних элементов. Эти факторы приводят к за­ медлению роста выходного сигнала при больших освещенностях.

Одним из недостатков иконоскопа является наличие так назы­ ваемого черного пятна. Эффект черного пятна заключается в том, что при передаче равномерно освещенной картины на экране при­ емной трубки наблюдается темное пятно неправильной формы, обычно в левой верхней части изображения.

Появление черного пятна объясняется паразитным (ложным) видеосигналом, возникающим вследствие неравномерного распре­ деления возвращающихся на мозаику вторичных электронов и фотоэлектронов. Эта неравномерность вызвана неоднородностью поля между мозаикой и коллектором и неодинаковым углом паде­ ния коммутирующего луча на различные части мозаики. Амплиту­ да паразитного видеосигнала зависит от общего числа освобождае­ мых с мозаики вторичных электронов. Чем больше вторичных электронов, тем сильнее выражена неравномерность распределе­ ния, тем больше паразитный видеосигнал. Уменьшению черного пятна способствует уменьшение тока электронного луча и коэффи­ циента вторичной эмиссии мозаики. Однако уменьшение тока луча до величины, меньшей 0,15—0,1 мка, нецелесообразно, так как электронов луча может оказаться недостаточно для заметного из­ менения потенциала мозаики в момент коммутации.

Уменьшение коэффициента вторичной эмиссии практически трудно выполнимо, так как фоточувствительная поверхность с ма­ лой работой выхода обычно является хорошим вторичным эмитте­ ром. Уменьшение эффекта черного пятна осуществляется введени­ ем в телевизионный канал искусственно генерируемого сигнала противоположной полярности.

Близкой по устройству к иконоскопу является трубка для пе­ редачи испытательной таблицы (тест-таблицы), т. е. неподвижного стандартного изображения, целью которого является проверка и настройка телевизионных приемников. Эта трубка, называемая мо­ носкопом, имеет электронный прожектор и отклоняющие системы, такие же, как у типового иконоскопа. Но вместо мозаики моноскоп имеет пластинку, изготовленную из материала с большим коэффи­ циентом вторичной эмиссии. В качестве такого материала может использоваться, например, окисленный алюминий, имеющий при энергии первичных электронов порядка 1 кэв величину сг>10. Изо­ бражение, подлежащее передаче, печатается на пластинке графи­ том или другим веществом, имеющим малый коэффициент вторич­ ной эмиссии.

При развертке электронным лучом вторично-эмиссионной ми­ шени ток вторичных электронов, уходящих на коллектор (проводя­ щее покрытие боковых стенок колбы), будет изменяться в соот­ ветствии с изменением коэффициента вторичной эмиссии. Таким образом, ток в цепи коллектора или сигнальной пластинки, роль которой играет противоположная прожектору неокисленная сторо­ на мишени, будет промодулирован за счет изменения коэффици­ ента вторичной эмиссии, т. е. на выходе трубки образуется видео­ сигнал, соответствующий картине, напечатанной на мишени.

Поскольку на мишень моноскопа не проектируется оптическое изо^- бражение, прожектор этой трубки располагается не в наклонной (как у иконоскопа) горловине, а на оси колбы.

§ 12.5. ОРТИКОН

Одной из первых трубок с насыщенной фотоэмиссией является 0 р- т и к о н — передающая трубка с фоточувствительной мишенью, разверткой пучком медленных электронов и накоплением заряда. Название этой трубки определяется перпендикулярным (ортого­ нальным) падением развертывающего пучка на мишень. Ортйкон является потенциалоскопом, в котором используется неравновес­ ная запись и перезарядное считывание.

Схема устройства ортикона приведена на рис. 12.8. Ортйкон со­ бирается в цилиндрической колбе сравнительно небольшого диа­ метра (диаметр колбы современных ортиконов составляет 70—

Рис. 12.8. Устройство ортикона:

/ —электронный прожектор; 2 — фокусирующая катушка; 3 —отклоняющие катушки; 4 — тормозящий электрод; 5 —мишень; 5 —сетка; 7— проводящее покрытие

80 мм). С одной стороны колба имеет горловину для размещения электронного прожектора, с другой стороны она оканчивается дном из полированного оптического стекла, через которое проектируется на мишень световое изображение.

Так как мишень ортикона небольшая (диагональ ~ 5 0 мм), для обеспечения необходимой четкости изображения (высокой разре­ шающей способности) диаметр электронного луча у мишени дол­ жен быть не больше 25— 30 мкм. В то же время ток луча должен составлять 0,3— 1 мка для надежной перезарядки мишени при счи­ тывании. Трудности получения пучка очень малого сечения, хотя бы и с небольшим током, объясняются тем, что в ортиконе исполь­ зуются медленные электроны — ускоряющее напряжение составля­ ет всего 100—200 в, а вблизи поверхности мишени скорость элект­ ронов снижается почти до нуля.

Обеспечить требуемые параметры пучка при помощи электро­ статической фокусировки затруднительно, поэтому в трубках с разверткой медленными электронами (в частности, в ортиконе) применяется дополнительная фокусировка пучка однородным про­ дольным магнитным полем. Наличие продольного магнитного по­ ля позволяет обеспечить перпендикулярное падение пучка элект­ ронов на мишень, что важно для правильного считывания накоп­ ленной на мишени информации.

Большинство ортиконов имеет магнитные отклоняющие систе­ мы, однако в некоторых типах ортиконов применяется комбини­ рованное отклонение: вертикальное отклонение магнитное, горизон­ тальное — электростатическое.

Независимо от типа отклоняющей системы вследствие наличия продольного фокусирующего магнитного поля электрон >в простран­ стве от прожектора до мишени описывает сложную траекторию, дважды претерпевающую преломление. Траектория электронов в ортиконе определяется совместным действием двух полей — одно­ родного продольного магнитного поля Вг и поперечного отклоня­ ющего электростатического (Еу) или магнитного (Вх) поля. Вве­ дем декартову систему координат х, у, z с началом в точке выхода пучка из прожектора и осью 0Z, совпадающей с осью неотклоненного пучка. Рассмотрим отклонение луча только в одном направ­ лении (У).

Очевидно, для этого необходимо направить электростатическое поле вдоль оси 0Y (вертикально) или магнитное поле — вдоль оси ОХ (горизонтально). Уравнения движения электрона в этом случае запишутся в виде

d2x	dy п
т—— =	— е — fiz,
dt2	dt
d2y	dx	(12.15)
in — - =	e —r Bz — eF,
dt2	dt
d2z	eEr,
m —— =

dt2

где F=EV в случае электростатического отклонения и F— Bxvz в случае магнитного отклонения.

Если ограничиться малыми углами отклонения, то скорость эле­

ктрона v можно приближенно считать равной vz — у — Ua, где

Ua— потенциал второго анода (и проводящего покрытия в области отклонения). Такое допущение вполне возможно, так как в труб­ ках с медленными электронами область отклонения является про­ тяженной вдоль оси 0Z, а размеры мишени невелики. Реально угол отклонения не превышает 10— 12° В этих условиях погрешность, вносимая заменой v на vz, не превышает 1%.

dx	е	lf (S)sin( ]У			е
dz					Вг dz
					2тUа
	У 2тий О		6				(12.16)
dzdy	е				е
	У 2mUa jf(I)c o s(|y				2т.Uа
		О	I
где | — новая переменная, получающаяся при замене
		dz	1 / 2е		Ua
		Vz = — =	V	—
		dt	1	т
Интегрированием		уравнений	(12.16)		можно получить		выраже­
ния для координат электрона x(z)				и y(z) на любом		удалении г
от начала координат.		уравнений	(12.16)		представляет	некоторые
Однако	анализ
трудности, так как из-за наличия полей рассеяния Е(£)							не может

быть представлена простой аналитической функцией.

Для наглядного представления траектории в области отклоне­ ния можно вести некоторые упрощения. Если положить, что про­ дольное фокусирующее поле постоянно (5 z=const) и отклоняющее поле F также не меняется в области отклонения (£ y=const или 2?:t=const), то уравнения (12.15) перейдут в уравнения с постоян­ ными коэффициентами и могут быть легко решены. При отсутст­ вии продольного электростатического поля (Ez= 0), что реально имеет место, так как в области отклонения потенциал постоянен и равен Ua, третье уравнение системы (12.15) приводит к vz =

~2е

У — ил а первое и второе уравнения дают проекцию

т

траектории на плоскость X0Y. В этом случае систему уравнений (12.15) удобно переписать в следующем виде:

d2x _____ е_ dy^^

dP~~ т ' dt ° z’

d*y

— .— В (12.17) dt2 m dt 1

Обозначая	— Bz — со	и — F = A	(очевидно, © = const и
	m	m

■(12-18)

где vx=dx/dt и vv=dyldt — составляющие скоростей по осям ОХ

и 0Y.

Решением системы уравнений (12.18) являются уравнения цик­

лоиды:

д

х = — (cat — sin cat),

со2

А

У = — (1 — co s © О - (12.19)

со2

Входящее в эти уравнения время t определяется для любого

2	• Ввиду наличия постоянной
значения 2 как г = z/vz = —7-^ -----

ПUа

скорости вдоль оси 0Z циклоида смещается параллельно самой се­ бе в этом направлении. Таким образом, траектория электрона в области отклонения оказывается сложной пространственной кри­ вой, обладающей кривизной и кручением. Проекция траектории электрона на плоскость X0Y показана на рис. 12.9.

Рис. 12.9.	Проекция траектории	Рис.	12.10. Траектория электро­
электрона	на плоскость X0Y	на в	пространстве отклонения
			луча

Уравнения (12.19) получены в предположении, что отклоняю­ щее электростатическое поле (Ey= F ) направлено вдоль оси 0Y

или отклоняющее магнитное поле ^ Вх = — j направлено вдоль

оси ОХ. Но из уравнений (12.19) следует, что электрон, совершая колебания в направлении оси 0Y, непрерывно смещается в направ­ лении оси ОХ, т. е. отклонение происходит в направлении, перпен­ дикулярном к отклоняющему электростатическому полю, или в на-

18—3266

509

правлении, совпадающем с направлением отклоняющего магнитно­ го поля. Этот результат показывает, что в трубках с разверткой медленными электронами при наличии однородного продольного фокусирующего магнитного поля отклоняющие системы вызывают отклонения электронов в направлениях, перпендикулярных к от­ клонению электронов в трубках обычных типов.

На примере трубок с пучком медленных электронов видно, что в продольном магнитном поле электрон как бы «ведется» магнит­ ной силовой линией, закручиваясь около нее по спиральным тра­ екториям. Точно так же при наличии поперечного отклоняющего магнитного поля электрон движется около суммарного век­ тора магнитного поля, получающегося при сложении продольного фокусирующего и поперечного отклоняющего магнитных полей (рис. 12.10).

Способность магнитного поля «вести» электроны приблизитель­ но вдоль силовых линий используется в трубках с разверткой мед­ ленными электронами вблизи мишени. Так как вблизи мишени от­ клоняющие поля практически спадают до нуля, магнитное поле оказывается направленным перпендикулярно к поверхности мише­ ни. Это поле снова искривляет траектории электронов и заставляет электроны приходить к мишени примерно по нормали к ее поверх­ ности. Конечно, «закручивающее» действие магнитного поля не­ сколько нарушает условие перпендикулярного падения пучка на мишень, однако подбором скорости электронов (ускоряющего на­ пряжения) и величины продольного магнитного поля угол падения можно сделать достаточно близким к 90°

Отклоненный пучок электронов перед мишенью тормозится полем специального (тормозящего) электрода обычно представля­ ющего собой узкое кольцо проводящего покрытия на цилиндриче­ ской части колбы непосредственно перед мишенью. Тормозящий электрод имеет отдельный вывод, и ему сообщается небольшой (20—50 в) положительный относительно катода прожектора по­ тенциал.

В ортиконе вследствие перпендикулярного к поверхности паде­ ния пучка электронов на мишень проектирование оптического изо­ бражения на мишень со стороны прожектора практически затруд­ нено. Поэтому в этой трубке используется мишень, световое изо­ бражение на которую проектируется со стороны, обратной облу­

чаемой	электронами.	Основанием мишени	является	тонкая
(~ 0 ,1	мм) стеклянная	пластинка. Сигнальная	пластинка	образо­

вана прозрачным электропроводным слоем окиси олова. На проти­ воположной стороне (со стороны электронного прожектора) име­ ется фоточувствительная мозаика.

При развертке неосвещенной поверхности мишени пучком мед­ ленных электронов потенциал ее начинает понижаться, так как для энергии первичных электронов ei<eUKpi коэффициент вторичной эмиссии мишени меньше единицы. Очевидно, равновесие наступит по достижении мишенью потенциала катода (нуля). Строго гово­ ря, из-за наличия начальных скоростей электронов потенциал ми-