книги / Электронная оптика и электроннолучевые приборы

звать паразитную эмиссию электронов с поверхности фотокатода, имеющего малую работу выхода.

Повышение чувствительности в суперортиконе достигается так­ же за счет вторично-электронного усиления сигнала. Применение вторично-электронного умножителя в самой передающей трубке имеет определенные преимущества перед усилением сигнала от­ дельным усилителем с электронными лампами.

Во-первых, электронные умножители принципиально имеют меньшие шумы, чем усилители. Это позволяет получить удовлетво­ рительное отношение сигнал/шум при малых величинах сигналов. Так как в суперортиконе максимальный выходной ток соответству­ ет более темным элементам изображения, применение ламповых усилителей вместо умножителя привело бы к очень большим по­ мехам при малых освещенностях. Во-вторых, соединительный про­ вод между передающей трубкой и усилителем приводит к допол­ нительным помехам за счет наводок. При усилении сигнала умно­ жителем этот вид помех можно значительно уменьшить (точнее увеличить отношение сигнал/шум). Наконец, вторично-электрон­ ный умножитель обладает линейной характеристикой в очень ши­ роких пределах изменения входного сигнала и является достаточно широкополосным усилителем, чтобы передать неискаженные изоб­ ражения при самых высоких телевизионных стандартах.

Вторично-электронный умножитель суперортикона состоит из нескольких (до семи) колец, окружающих анодный цилиндр про­ жектора. Кольца имеют радиальные прорези с отогнутыми краями («жалюзи»). Первым эмиттером умножителя является анодная диафрагма прожектора, кольца образуют второй, третий и т. д. кас­ кады умножения. Для лучшего направления электронов на после­ дующие эмиттеры между вторым и третьим, третьим и четвертым и т. д. каскадами установлены сетки, имеющие потенциал следую­ щего эмиттера (т. е. сетка между вторым и третьим эмиттерами соединена с третьим эмиттером и т. д.).

Напряжения на каскадах умножителя повышаются от каскада

ккаскаду, так что напряжение последнего эмиттера по отношению

ккатоду прожектора может быть больше 1,5 кв. Перед последним кольцом — эмиттером (без прорезей) устанавливается коллектор вторичных электронов, имеющий вид сетки с потенциалом на 100— 200 в выше потенциала последнего эмиттера. Вблизи вторичноэлектронного умножителя нет электродов, имеющих положитель­ ный (относительно умножителя) потенциал. Поэтому электроны, возвращающиеся о т ‘мишени, эффективно улавливаются умножите­ лем, создавая выходной ток — видеосигнал.

Впервых образцах суперортикона использовались серебряно­ цезиевые или сурьмяно-цезиевые -вторичные эмиттеры. В настоящее время применяются сплавные эмиттеры: серебряно-магниевые, мед- но-бериллиевые, алюминиево-магниевые. Эти эмиттеры более ста­

бильны в работе, меньше чувствительны к перегрузкам и удобнее в технологическом отношении.

При развертке пучком медленных электронов неосвещенная по­ верхность мишени постепенно заряжается приходящими электро­ нами (ст<1), приобретая равновесный потенциал, примерно рав­ ный потенциалу катода прожектора (нулю). При проектировании оптического изображения на фотокатод электронное изображение, возникающее за счет фотоэмиссии, переносится магнитным полем на мишень. Фотоэмиссия является насыщенной — все электроны, эмиттированные катодом, доходят до мишени. Энергия электронов при ускоряющем напряжении 300—400 в оказывается достаточной, чтобы обеспечить значение сг> 1. Таким образом, в секции перено­ са происходит усиление изображения в а раз. За счет ухода вто­ ричных электронов на поверхности мишени создается положитель­ ный потенциальный рельеф. Поскольку проектирование оптическо­ го изображения и перенос электронного изображения на мишень происходят непрерывно, потенциальный рельеф формируется в те­ чение передачи одного кадра, т. е. эффект накопления заряда ис­ пользуется в полной мере. Благодаря поперечной проводимости мишени потенциал другой ее стороны (обращенной к прожектору)

также	изменяется, следовательно,	имеет место неравновесная
запись.	развертке мишени пучком	медленных электронов (а < 1)
При

потенциал ее поверхности понижается за счет компенсации положи­ тельного заряда электронами развертывающего пучка. Поскольку считывающий пучок изменяет заряд, накопленный на мишени, счи­ тывание в суперортиконе является перезарядным.

При затемненном фотокатоде, т. е. при отсутствии передава­ емого изображения, потенциальный рельеф на мишени не созда­ ется. При развертке неосвещенной поверхности мишени пучком медленных электронов потенциал ее стремится к равновесному значению, равному потенциалу катода прожектора (нулю). В этом случае электроны считывающего пучка будут отражаться поверх­ ностью мишени и возвращаться к прожектору. Продольное магнит­ ное поле «приводит» отраженные электроны на анодную диафраг­ му прожектора, являющуюся первым вторичным эмиттером элект­ ронного умножителя. Электростатическое поле второго эмиттера направляет вторичные электроны с диафрагмы прожектора на вто­ рой эмиттер. В формировании этого поля принимает участие также цилиндр умножителя. Со второго эмиттера электроны направляют­ ся на третий эмиттер и т. д., с последнего эмиттера — на коллек­ тор (анод) умножителя. Коэффициент усиления умножителя может достигать нескольких тысяч.

При наличии на мишени потенциального рельефа, соответству­ ющего распределению освещенности по поверхности фотокатода, часть электронов считывающего пучка затрачивается на компенса­ цию положительного заряда, накопленного на мишени. Вследствие этого ток возвращающихся от мишени электронов становится мень­ ше. Очевидно, чем больше накопленный на данном элементе ми­ шени положительный заряд, тем меньше ток, идущий с этого эле­ мента на вход умножителя.

Таким образом, неосвещенным элементам мишени соответству­ ет максимальный выходной ток, наиболее ярко освещенным эле­ ментам — минимальный ток. Следовательно, полярность видеосиг­ нала суперортикона обратна по сравнению с полярностью видосигналов ранее рассмотренных трубок.

Упрощенно формирование видеосигнала суперортиконом мож­ но представить следующим образом. Предположим, что ток фото­ катода насыщен, все вторичные электроны с мишени отбираются сеткой, т. е. ток вторичных электронов также насыщен, ток счи­ тывающего луча достаточен для полной компенсации заряда, на­ копленного на любом элементе мишени, и характеристика вторич­ но-электронного умножителя линейна во всем возможном ди­ апазоне изменения входного тока. Очевидно, для идеального суперортикона величина видеосигнала должна быть пропорцио­ нальна световому потоку, падающему на фотокатод. Иначе гово­ ря, характеристика свет — сигнал должна быть линейной во всем возможном диапазоне изменения яркости передаваемого изобра­ жения.

Однако идеальные условия могут существовать лишь при весь­ ма малых освещенностях. Только первое условие — насыщенность фототока — приближенно выполняется также при сравнительно больших освещенностях вследствие значительной разности потен­ циалов между фотокатодом и сеткой мишени. В то же время поле между поверхностью мишени и сеткой очень мало и при накопле­ нии на поверхности мишени положительного заряда может изме­ нить знак. Таким образом, говорить о насыщенности тока вторич­ ных электронов с мишени при не очень малых освещенностях не имеет смысла. Точно так же при больших величинах накопленного заряда считывающий пучок может «не успеть» полностью переза­ рядить элементы мишени. Эти факторы приводят к тому, что с рос­ том освещенности фотокатода пропорциональность между осве­ щенностью и величиной видеосигнала нарушается, увеличение амплитуды выходного сигнала отстает от роста освещенности — характеристика свет — сигнал становится нелинейной.

Примерный вид реальной световой характеристики суперорти­ кона показан на рис. 12.13.

Как видно, световая характеристика близка к линейной только при очень малых освещенностях фотокатода. С ростом освещенно­ сти крутизна характеристики падает. Таким образом, реальная характеристика свет ^ сигнал суперортикона близка к оптималь­ ной. При малых освещенностях благодаря большой крутизне воз­ можна передача достаточного количества градаций яркости. В то же время при больших освещенностях световая характеристика идет полого, и можно предположить, что дальнейшее увеличение освещенности (за «загибом» световой характеристики) сделает не­ возможным формирование видеосигнала.

Однако опыт эксплуатации суперортикона показал, что и при ос­ вещенностях фотокатода, существенно больших соответствующим «загибу» световой характеристики, эта трубка вполне удовлетво­

рительно воспроизводит градации яркости. Более того, при работе за «загибом» световой характеристики отношение сигнал/шум да­ же несколько возрастает, качество изображения улучшается. Объ­ яснение этого факта требует уточнения теории формирования ви­ деосигнала суперортиконом.

До сих пор мы не учитывали возможность перераспределения вторичных электронов, выходящих с мишени, между неодинаково освещенными элементами ее поверхности. Между тем этот процесс

играет существенную роль при накоплении заряда и создании											по­
				тенциального рельефа						на	по­
				верхности			мишени.		Как было
				указано,			поле,	отбирающее
				вторичные			электроны			с	по­
				верхности мишени, очень мало
				даже при неосвещенном фото­
				катоде, а при больших осве­
				щенностях может стать тормо­
				зящим. В то же время раз­
				ность		потенциалов				между
				соседними			светлыми		и темны­
				ми	элементами			поверхности
				мишени		может оказаться дос­
О	0,5	1,0 1,5	2,0 2.5 Е.лк	таточной для создания местных
				полей, способствующих						пере­
Рис. 12.13.		Световая	характеристика	ходу	вторичных			электронов с
		суперортикона		одного		элемента		мишени			на
				другой.		Кроме того,			наличие

межэлементной разности потенциалов приводит к перетеканию зарядов за счет отличной от нуля поверхностной проводимости мишени. Учет перераспределения вторичных электронов позволяет объяснить возможность формирования потенциального рельефа на мишени при освещенностях фотокатода, соответствующих области за «загибом» световой характеристики. В самом деле, белый эле­ мент мишени в любом случае будет терять больше вторичных эле­ ктронов, чем черный. Но если при малых освещенностях вторичные электроны отбираются сеткой, то при больших освещенностях значительная часть вторичных электронов переходит с белых эле­ ментов на «черные», что приводит к углублению потенциального рельефа.

Вопросы формирования потенциального рельефа на мишени суперортикона с учетом перераспределения вторичных электронов и растекания заряда в последние годы подробно рассмотрены Н. Д. Галинским. В соответствии с теоретическими и эксперимен­ тальными исследованиями Н. Д. Галинского формирование видео­ сигнала суперортиконом может быть представлено следующим образом. Допустим, что на фотокатод суперортикона спроектиро­ вано изображение «миры» из чередующихся светлых и темных по­ лос, причем освещенность светлых полос заметно больше освещен­ ности, соответствующей загибу световой характеристики. В этих

условиях можно считать, что все вторичные электроны, выходящие с поверхности мишени, возвращаются обратно на мишень, так как поле в пространстве сетка — мишень слишком мало; кроме того, при большой прозрачности сетки (до 70—80% у современных суперортиконов) электроны с мишени, движущиеся в сторону сетки, проходят сквозь нее и полем секции переноса возвращаются об­ ратно на мишень. Предположим также, что дальность «разлета» вторичных электронов существенно больше ширины полос элект­ ронного изображения на мишени. Вторичные электроны в общем случае перелетают как с белого на черное, так и с черного на бе­ лое, но число электронов, выходящих с белого, всегда больше чис­ ла электронов, улетающих с черного. Следовательно, потенциал белых элементов повышается, что приводит к появлению разности потенциалов между белыми и черными элементами. Однако эта разность потенциалов не может стать сколь угодно большой, так как с ростом потенциала белых элементов увеличивается тормо­ зящее поле, возвращающее вторичные электроны, вышедшие с белых элементов, обратно на эти элементы. Устанавливается дина­ мическое равновесие, причем можно приближенно считать, что по­ ловина вторичных электронов, уходящих с каждого элемента, пе­ реходит на соседние участки мишени, а половина возвращается обратно на этот же элемент. Полагая, что число электронов, пере­ летающих с одного элемента мишени на другой, пропорционально межэлементной разности потенциалов U, можно составить уравне­ ния токов белого (iб) и черного (i4) элементов мишени:

( 12.20)

где /фб и 1фЧ— фототоки белого и черного элементов фотокатода; а — коэффициент пропорциональности.

Коэффициент а можно определить исходя из условия, что по достижении предельного (максимального) значения межэлемент­

	ной разности потенциалов Unр разность	токов белого и	черного
	элементов становится равной 2/ч:		( 12.21)
	(к — i-ч)и=ипр = 2«фЧ(а — 1).
	Определяя величину а, получим	U
	к — к = ((фб — Гфч) (а — 1) — (»фб +		( 12.22)
		1фч) (а — 1)'——...

сУпр

Поскольку мишень обладает поверхностной проводимостью, не­ обходимо учесть еще ток растекания

U

(12.23)

где R — межэлементное поверхностное сопротивление.

Введя понятие межэлементной емкости С, можно составить уравнение обмена электронами между элементами мишени:

n dU .	--- *4 --- *р.	(12.24)
С— ■= 1б
at

Если теперь выразить фототок через освещенность Е и чувстви­ тельность кф фотокатода, то решение уравнения (12.24) можно представить в виде

	E6 —Ev			- -ггO w +-§•)'
	E6+ E 4 + jг1‘-						(12.25)
где			Uпр
		а =					(12.26)
					1)
		кфЭф(о
($Ф — площадь	фотокатода).		определить			величину тока сиг­
Уравнение	(12.25)	позволяет
нала ic:
U*fi		Е6- Е ч	Г _		- 5 г ( £б+£ч + | - ) г		(12.27)
	Д6 + Дч+ - |
где т — время коммутации одного элемента;						Т — период кадровой

развертки.

Выражения (12.25), (12.27) позволяют получить количествен­ ные соотношения между освещенностью фотокатода, глубиной по­ тенциального рельефа и током сигнала. Экспериментальная про­ верка показала, что рассчитанные величины удовлетворительно совпадают с опытными данными, что подтверждает правомочность сделанных предположений о существенной роли перераспределе­ ния вторичных электронов в процессе формирования потенциаль­ ного рельефа на поверхности мишени суперортикона. Кроме того, перераспределение вторичных электронов способствует снижению уровня шума, так как отклонение числа перелетающих с элемента на элемент вторичных электронов от равновесного значения немед­ ленно вызывает появление местных полей, восстанавливающих рав­ новесное значение.

Таким образом, сформулированные Н. Д. Галинским положе­ ния хорошо объясняют процессы формирования видеосигнала суперортиконом, в том числе и при больших освещенностях (за за­ гибом световой характеристики), и наличие большего ожидаемого на основании общепринятых представлений отношения сигнал/шум.

Суперортикон благодаря высокой чувствительности, достаточ­ ной разрешающей способности, хорошему отношению сигнал/шум,

более яркому элементу изображения. Так как снижение потенциа­ ла мишени эквивалентно передаче более темных элементов изобра­ жения, светлое место изображения представляется окруженным темной каймой. Этот же эффект перераспределения вторичных эле­ ктронов приводит к так называемому подчеркиванию границ свет­ лых деталей изображения. И, наконец, уменьшение разрешающей способности при передаче объектов с большой градацией яркости объясняется эффектом растекания заряда по поверхности мишени. Особенно заметно растекание заряда при передаче объектов, име­ ющих мелкие яркие детали на слабо освещенном фоне. Большой заряд, накапливаемый на местах мишени, соответствующих ярко освещенными деталями объекта, заметно растекается по поверхно­ сти за время передачи одного кадра. Поэтому на изображении границы этих деталей становятся нерезкими. Таким образом, раз­ решающая способность трубки при передаче объектов с большой градацией яркости оказывается ниже, чем при передаче более рав­ номерно освещенных объектов.

Кроме того, в некоторых суперортиконах наблюдается неодно­ родность фона, т. е. при передаче равномерно освещенной карти­ ны отдельные места на изображении выглядят более светлыми или, наоборот, более темными. Неоднородность фона вызывается глав­ ным образом неодинаковой величиной коэффициента вторичной эмиссии разных мест первого эмиттера умножителя. Поскольку отклоняющие поля действуют также и на возвращающиеся от ми­ шени электроны, место падения электронов на первый эмиттер непрерывно перемещается в соответствии с разверткой считываю­ щего пучка по поверхности мишени. Этот недостаток можно умень­ шить изготовлением анодной диафрагмы (первого эмиттера умно­ жителя) из высокооднородного материала и тщательной очисткой ее поверхности от посторонних пленок, влияющих на коэффици­ ент вторичной эмиссии. Выравниванию фона способствует также установка в секции считывания (перед мишенью) мелкоструктур­ ной сетки, уменьшающей разброс электронов, возвращающихся от мишени.

Как было указано, большой уровень шума при малых освещен­ ностях является одним из недостатков суперортикона. Очевидно, изменение полярности выходного сигнала передающей трубки с пе­ реносом изображения и вторично-электронным усилением сигнала привело бы к существенному улучшению отношения сигнал/шум при малых освещенностях, так как в этом случае малой освещен­ ности соответствовал бы малый ток возвращающихся от мишени электронов. Поток электронов, возвращающихся от мишени, можно рассматривать состоящим из двух частей: электронов, упруго от­ раженных от мишени, и электронов, рассеянных за счет взаимодей­ ствия считывающего пучка с поверхностью мишени. Чем выше по­ тенциал элементов мишени (чем светлее элементы), тем большая часть электронов считывающего пучка дойдет до мишени, тем больше будет рассеяние электронов. Таким образом, число рассе­ янных электронов примерно пропорционально освещенности мише­

ни, и поток рассеянных электронов может быть использован для формирования выходного сигнала.

Рассмотренный принцип лежит в основе действия передающей трубки с переносом изображения, накоплением заряда и вторично­ электронным усилением сигнала, получивший название суперизокон. Система электродов секции переноса, мишень, электронный прожектор и отклоняющие системы суперизокона аналогичны со­ ответствующим элементам типового суперортикона. Отличным от суперортикона является лишь устройство вторично-электронного умножителя. Первый динод умножителя располагается так, что на него попадают только рассеянные электроны, в то время как упру­ го отраженные электроны, возвращающиеся по траекториям, прак­ тически совпадающим с траекторией считывающего пучка, не по­ падают на вход умножителя и улавливаются анодом прожектора. В этой трубке анодная диафрагма прожектора не служит первым эмиттером умножителя. Рассеянные электроны, улавливаемые входным электродом умножителя, создают выходной сигнал. По­ скольку при малых освещенностях большая часть электронов счи­ тывающего пучка отражается мишенью, ток сигнала невелик и отношение сигнал/шум выше, чем у суперортикона. Испытания опытных образцов суперизоконов показали, что на темных участ­ ках изображения отношение сигнал/шум в несколько раз больше, чем у суперортикона; на светлых участках оно примерно одинако­ во для обеих трубок. Несмотря на несколько лучшие параметры при низких уровнях освещенности, суперизоконы не получили распространения главным образом вследствие их большой слож* ности.

§12.8. ВИДИКОН

Врассмотренных передающих трубках для преобразования опти­ ческого изображения в электронное используется фотоэлектронная эмиссия (внешний фотоэффект), причем чувствительность фотокатодов не превышает 40—50 мка/лм. Поэтому приходится прини­

мать специальные меры для увеличения	чувствительности труб­
ки — перенос изображения (электронное	усиление изображения)

или вторично-электронное умножение. В то же время промышлен­ ностью освоен выпуск высокочувствительных фотоэлементов с внутренним фотоэффектом (фоторезисторов), чувствительность ко­ торых в десятки и сотни раз превышает чувствительность фотоэле­ ментов с внешним фотоэффектом. Широкому применению фоторе­ зисторов в передающих телевизионных трубках препятствовала заметная инерционность приборов с внутренним фотоэффектом. Разработка высокочувствительных и сравнительно малоинерцион­ ных полупроводниковых фоторезисторов позволила создать прос­ тую передающую телевизионную трубку с фотопроводящим нако­ пителем заряда, получившую название видикон.

Видикон является передающей трубкой с полупроводниковой фотопроводящей мишенью, накоплением заряда и перезарядным

считыванием. Устройство видикона схематически показано на рис. 12.15.

В цилиндрической трубке помещается электронный прожектор, создающий луч диаметром 20— 30 мкм при токе 0,3—0,6 мка. Во многих типах видиконов для дополнительной фокусировки элект­ ронного пучка используется продольное однородное магнитное по­ ле, создаваемое длинной катушкой, надетой на трубку. Наличие продольного магнитного поля способствует также перпендикуляр­ ному падению луча на мишень (МШ) (как в ортиконе). Отклоне­ ние луча осуществляется двумя парами отклоняющих катушек,

Рис. 12.15. Устройство видикона

расположенных снаружи трубки. Описаны также видиконы с чисто электростатической фокусировкой луча и электростатическими от­ клоняющими пластинами. Во всяком случае, для работы видикона требуется хорошо оформленный луч небольшого диаметра, но и с небольшим током. Такие пучки сравнительно просто созда­ ются прожекторами с малыми диафрагмами в области скрещения (см. § 3.6).

Противоположное прожектору дно колбы изготовляется из пло­ ского полированного стекла; на этом дне образуется прозрачная сигнальная пластинка и фотопроводящая мишень. В качестве сиг­ нальной пластинки служит либо нанесенный на стекле слой окиси олова, либо тонкий прозрачный слой металла — золота или плати­ ны. На сигнальную пластинку испарением в вакууме наносится фотопроводящий слой, образующий мишень видикона. Материа­ лом мишени служит трехсернистая сурьма или другой полупровод­ ник, обладающий фоточувствительностыо (например, селен, сер­ нистый свинец и др.). Выбор материала мишени в значительной мере обусловлен необходимостью иметь определенную спектраль­ ную характеристику, достаточно высокую чувствительность и ма­ лую инерционность. К сожалению, требования высокой чувстви­ тельности и малой инерционности часто несовместимы — наиболее чувствительные фоторезисторы оказываются и более инерционны­ ми. Фотопроводящий слой должен обладать достаточно высоким темновым удельным сопротивлением — не менее 10й— 1012 ом •см, так как в противном случае возможно сглаживание потенциаль­ ного рельефа (уравнивание потенциалов соседних элементов) и уменьшение разрешающей способности. Перед мишенью со сто-