ФизЭлектроника PDF-лекции / (Лекция 2)

Электронно-оптические преобразователи (ЭОП) предназначены для преобразования оптического изображения из одной области спектра в другую или для усиления яркости изображения. В простейшем случае ЭОП имеет вакуумированный корпус с окном, на которое с внутренней стороны нанесен фотокатод, преобразующий оптическое изображение объекта в электронное. Фотоэлектроны дают изображение объекта на люминесцирующем экране, который вновь преобразует электронное изображение в оптическое. Яркость изображения в одном каскаде ЭОПа повышается в несколько десятков раз, в многокаскадных ЭОПах усиление достигает 104.

При проведении исследований в области быстропротекающих процессов,

часто используют метод синхронной высокоскоростной съемки. Применение для этих целей импульсных электронно-оптических преобразователей (ЭОП)

позволяет создавать аппаратуру, обеспечивающую режим однокадровой и многокадровой скоростной съемки с временами экспозиции до единиц наносекунд, а интервалами между кадрами до десятка наносекунд.

Из всех существующих в настоящее время электронно-оптических преобразователей, для применения в приборах высокоскоростной регистрации изображений быстропротекающих процессов наибольший интерес представляют так называемые плоские ЭОП (Proximity Focus Image Intensifiers) поколений II, II+ и III. Их бесспорным преимуществом являются малые габариты, высокое и однородное по полю пространственное разрешение, полное отсутствие геометрических искажений (дисторсии) и

высокая защищенность к внешним электромагнитным помехам. Схема плоского ЭОП представлена на рис. 1.

Рис. 1. ЭОП поколения II и III.

Данный ЭОП представляет собой вакуумный блок, внутри которой параллельно друг другу расположены три электрода. Первый – это полупрозрачный фотокатод (мультищелочной для поколения II и арсенид-

галиевый для III), нанесенный на внутреннюю поверхность входного стеклянного окна. Следом за ним установлена микроканальная пластина

(МКП). Последний электрод – экран, представляющий собой тонкий слой специального люминофора, нанесенного на стеклянное выходное окно.

МКП— стеклянный диск, который состоит из микроканальной вставки

(МКВ) и монолитного обрамления (МО). МКВ представляет собой сотовую структуру (для круглых МКП, обычно, в виде двенадцатиугольника с рифлеными границами) из множества (500—1000) регулярно расположенных и спеченных вместе шестиугольных микроканальных сот (МКС), а каждая сота состоит из множества (5000—10000) регулярно расположенных и спеченных вместе миниатюрных трубчатых каналов, диаметр которых может составлять 2—12 мкм, а плотность порядка (0,5—5)10 6/см².

Базовым элементом МКП является трубчатый канал диаметром d, длиной l и

калибром α = l/d. В поверхностном слое канала форм ируется резистивно-

эмиссионный слой (РЭС) толщиной 200— 300 нм, состоящий, в первом приближении, из двух слоев: верхнего очень тонкого (порядка 10 нм)

эмиссионного слоя (Э С) на основе кремнезема SiO2, почтидиэлектрического,

обеспечивающего вторичную электронную эмиссию, и нижнего, более толстого, резистивного слоя (РС), в котор ом сосредоточен восстановленный свинец, благодаря чему РС обладает эл ектропроводностью.

На канал подается че рез КЭ напряжение питания . Благодаря этому по РС в осевом направлении течет ток проводимости n = , а во внутреннем пространстве канала возникает однородное электрическое поле с линейно нарастающим (в отсутствие электронной лавины) потен циалом φ( ) = x .

Напряженность этого поля направлена по оси канала от выхода ко входу. Это поле неск олько искажается на входе и выходе канала (краевой эффект): характер поля здесь зависит от величины заглубления КЭ и внешних электрических полей.

Рис. Конструкция МКП.

Влетающий в канал электрон (или иная заряженная ча стица) вблизи входа сталкивается с поверхностью, осуществляя первое соударение. При этом, в

среднем, выбивается	σ1 > 1	вторичных	электронов	(коэффициент
вторичной электронной	эмиссии,	КВЭЭ	при пе рвом	соударении).

Вылетающие при этом вторичные электроны (ВЭ) имеют определенное

энергетическое	и п ространственное распределение. В	пространстве ВЭ
распределены	по закону косинуса, энергетическое	распределение
характеризуется максимумом при энергиях 1—3 эВ.

Попав в электрическ ое поле канала, вторичный электро н набирает энергию,

увеличивает под действием осевой силы				продольную (осевую)
составляющую скоро сти	x, смещается вдоль	канала к выходу, набирает
энергию, а под влиянием	поперечной составляющей начальной скорости 0y,

на которую поле в канале не действует, он в то же время смещается и поперечно. В общем случае траекторией вторичного электрона является

парабола, вид которой определяется начальными усло виями (энергией и углом вылета электро на) и напряженностью поля в канале. В результате ВЭ вновь сталкиваются со стенкой и вновь генерируют втори чные электроны.

Указанный процесс повторяется многократно, и по каналу, умножаясь,

быстро продвигается электронная лавина, которая через время порядка 10−9 с

оказывается на выходе канала. Число выходящих из канала электронов

>> 1 от попадающего в канал одного электрона и есть коэффициент усиления канала.

Рис. Выходной сигнал у МКП фирмы HAMAMATSU, предназначенной для

измерений времени пролета.

Анализ показывает, что коэффициент усиления			зав исит от напряжения
питания (напряженности поля в канале		),	калибра канала α,

вторичноэмиссионных свойств ЭС и некоторых других факторов. При

напряжениях питания	порядка 1000 В легко достигаются усиления порядка
104. При больших	напряжениях (2000— 3000	В) коэ ффициент усиления
может достигать значительной величины 106—10		7.

Во включенном состоянии ЭОП между электродами подаются соответствующие напряжения. На рис. 1 напряжения на электродах ЭОП обеспечивают его работу в так называемом, “ статическом режиме”. В этом режиме он открыт и работает просто как усилитель изображения.

Рис.1

Изображение объекта проецируется на внутреннюю поверхность входного стеклянного окна и фотокатод под воздействием потока квантов излучения испускает соответствующий поток электронов. Электрическое поле,

образованное источником питания Vфк, переносит их на вход МКП, которая усиливает электроны в Ke раз (пропорционально приложенному к ней напряжению VМКП). Усиленный поток электронов с выхода МКП, попадая в ускоряющее поле, образованное источником питания Vэкр, падает на экран ЭОП и вызывает соответствующее излучение. Коэффициент усиления ЭОП

(KЭОП), равный отношению уровня мощности излучения с экрана ЭОП к уровню мощности излучения, падающего на фотокатод, определяется напряжением, приложенным к МКП (VМКП). Зависимость KЭОП от напряжения на МКП приведена на рис. 2.

Как правило, коэффициент усиления ЭОП может устанавливаться в пределах от 1 до 30 000 – 50 000.

Рис. 2. Зав исимость коэффициента усиления эл ектронов от напряжения на МКП.

ЭОП в качестве элек тронного затвора:

Из рис. 1 видно, что электроны при движении проходят три участка, каждый из которых имеет свое ускоряющее электрическое поле. Э то “ фотокатод – вход МКП”, “ вход М КП – выход МКП” и “ выход МКП – экран”.

Теоретически, для импульсного управления (стробирования) ЭОП можно использовать любой и з этих промежутков. Выключение любого из источников питания (Vфк, VМКП или Vэкр) переводит его в постоянно закрытое состояние. Подача на обесточенный промежуток импульса напряжения с соответствующей полярностью и амплитудой приводит к открытию ЭОП на время равное его длит ельности. На практике используют только первые два участка: “ фотокатод – вход МКП” и “ вход МКП – выход МКП”. Экранный промежуток потребовал бы для управления импульсы с амплитудой 5…6 кВ,

против нескольких сотен вольт для первых двух, что, при прочих равных условиях, привело бы к неоправданно большим габарита м модуля управления.

Для стробируемого ре жима длительность импульса, отпирающего ЭОП,

определяет время экспозиции кадра, а число фотонов за это время упавших

на фотокатод – значение энергии регистрируемого изображения. На экране пропорционально коэффициенту усиления ЭОП излучается соответствующее число фотонов. Из-за инерционности люминофора время, в течение которого они излучаются, может значительно превышать длительность экспозиции. В

импульсных системах это не имеет значения. Главное, чтобы все они попали на многоканальный фотоприемник (ПЗС или КМОП) телевизионной системы записи изображения в интервале, соответствующим фазе накопления заряда.

В настоящее время существуют схемотехнические решения,

обеспечивающие построение затворных модулей с управляемой длительностью tэксп от 5 наносекунд до сотен микросекунд и более. Такой диапазон обеспечивает регистрацию (сверхскоростное фотографирование)

объектов, летящих со скоростью значительно превышающей первую космическую (8 000 м/с). Для сравнения – свет проходит расстояние в 1 м за время 3 нс. Схемы с фиксированной длительностью импульса (на основе сверхскоростной коммутации линий с распределенными параметрами)

обеспечивают минимальные времена стробирования десятки пикосекунд, но в данной лекции они не рассматриваются.

Рис. 3. Импульсное управление ЭОП поколен ия II и III.

На фото (ниже) представлены результаты скоростной съемки, полученные с помощью программи руемого четырех кадрового электро нно-оптического комплекса NANOGA TE–Frame 4 . На фото 1 – серия из трех кадров процесса распада объекта при его движении по траектории со скоростью примерно

1000 м/с. Интервалы между кадрами 200 мкс (между первым и вторым) и 120

мкс (между вторым и третьим кадром). Времена экспозиции для каждого кадра указаны под фотографией.

t1 = 0	t2 = 200 мкс	t3 = 320 мкс
tэксп= 50 нс	tэксп=200 нс	tэксп=300 нс

Фото 1. Серия из трех кадров зарегистрированных комплексом NANOGATE–Frame 4.

На фото 2 – одиночный снимок, трассирующего объекта, двигающегося по

траектории со скоростью примерно 800 м/с. Снимок сделан при экспозиции

равной 300 нс. В обоих случаях подсветка объекта осуществлялась

импульсной лампой-вспышкой.

tэксп=300 нс

Фото 2. Одиночный снимок, трассирующего объекта, двигающегося по траектории со скоростью примерно 800 м/с