7.2. Типы и законы фотоэффекта

Работа фоточувствительных поверхностей основывается на использовании внешнего и внутреннего фотоэффекта. При внешнем фотоэффекте освобожденные электроны покидают облученное вещество, вылетая в пространство, – фотоэлектронная эмиссия, при внутреннем – остаются внутри твердого тела, изменяя его проводимость, – фотопроводимость.

Для фотоэлектронной эмиссии установлены следующие законы внешнего фотоэффекта:

1. Закон Столетова (основной закон фотоэффекта) – фототок фотоэлемента iф пропорционален интенсивности светового потока вызывающего этот ток.

iф=SФ,

где Ф – световой поток, лм; S – чувствительность фотокатода, мкА/лм.

2. Без инерционность фотоэлектронной эмиссии – фототок следует за изменениями светового потока практически без запаздывания до частоты 100 МГц.

3. Закон Эйнштейна – максимальная энергия фотоэлектрона пропорциональна частоте падающего излучения и не зависит от его интенсивности. Она определяется энергией кванта света.

По принципу действия датчики на ЭЛТ подразделяются на трубки мгновенного действия и с накоплением зарядов.

7.3. Принцип мгновенного действия

Принцип мгновенного действия основан на том, что фотоэлектронная эмиссия с каждого элемента изображения используется в интервале времени, равному времени коммутации одного элемента и, следовательно мгновенные значения тока сигнала изображения пропорциональны световому потоку падающему на 1 элемент изображения в течение времени коммутации этого элемента. При этом напряжение сигнала на нагрузке Rн при замыкании ключа К на время коммутации этого элемента определяется протекающим током фотоэмиссии, как показано на рис.7.1.

Рис. 7.1. Образование сигнала в системе мгновенного действия

На внешнем фотоэффекте основана работа таких передающих трубок как – ДИССЕКТОР (рассекатель) и СУПЕРОРТИКОН.

Конструктивно современный диссектор, изображенный на рис. 7.2, состоит из стеклянной колбы внутри которой имеется полупрозрачный фотокатод (ФК), ускоряющий электрод (УСЭ), диафрагма с отверстием, диноды вторично-электронного умножителя (ВЭУ), коллектор, а снаружи трубки располагаются отклоняющие катушки (ОК) строчной и кадровой развертки и фокусирующая катушка, создающая вдоль трубки однородное магнитное поле. В отличие от других передающих трубок в диссекторе отсутствует электронно-лучевая пушка и поэтому развертка в нем осуществляется отклонением электронного изображения перед отверстием диафрагмы, которое является развертывающей апертурой.

В диссекторе различают 3 секции:

1- оптико-электронного преобразования

2- переноса и отклонения электронного изображения

3- вторично-электронного умножителя.

Рис. 7.2. Схема устройства трубки типа ДИССЕКТОР

Световое изображение преобразуется в электронное на полупрозрачном светочувствительном слое – фотокатода, нанесенном на внутреннюю поверхность планшайбы трубки, за счет того, что падающий световой поток выбивает фотоэлектроны с его поверхности. Причем, число фотоэлектронов зависит от яркости элементов изображения – чем ярче изображение, тем больше фотоэлектронов. Далее это электронное изображение переносится в плоскость диафрагмы с помощью ускоряющего напряжения, приложенного к УСЭ в магнитном поле ФК. В плоскости диафрагмы под действием отклоняющего поля ОК электронное изображение перемещается относительно отверстия диафрагмы по закону развертки. При этом фотоэлектроны с различных участков ФК попадают через отверстие на первый динод ВЭУ в котором мгновенное значение фототока усиливается за счет размножения вторичных электронов. Питание на диноды подается таким образом, что потенциал каждого последующего динода выше предыдущего, таким образом выбитый электрон из 1 динода ускоряется полем 2 динода и выбивает из него уже 2 электрона и так далее.

Коэффициент усиления ВЭУ достигает 100000, что позволяет поучить ток сигнала порядка 100мкА, отрицательной полярности.

Диссекторы имеют линейную световую характеристику при освещенности ФК от десятых долей люкса до нескольких тысяч, обеспечивают хорошее воспроизведение градаций яркости и высокую разрешающую способность. Современные диссекторы обладают высокой механической прочностью, виброустойчивостью и могут работать в большом интервале температур. Кроме того, они после подачи питающих напряжений мгновенно готовы к работе, поэтому они активно используются в различных системах прикладного ТВ, обеспечивающих автоматизацию производственных процессов, слежение за слабосветящимися точечными объектами в телескопах и астронавигации, чтении микрофильмов, а также в телекинопроекционных установках и т.д.

Недостатком диссекторов, а их промышленность выпускает более 15 типов, является их низкая чувствительность в стандарте вещательного ТВ, что, однако, является недостатком всех систем мгновенного действия.

Следует отметить, что наиболее чувствительной передающей трубкой, использующей внешний фотоэффект, является суперортикон (ЛИ201, ЛИ221…) Высокая чувствительность обеспечивается за счет переноса электронного изображения с полупрозрачного фотокатода на 2-х стороннюю накапливающую мишень и ее развертки пучком медленных электронов с последующим усилением изображения внутренним ВЭУ.

Эти трубки имели высокую чувствительность и разрешающую способность, однако, они были очень сложны в производстве и эксплуатации из-за большого числа регулировок. Кроме того, они имели большие габариты и низкий срок службы (200-750 ч), большое время включения (20-30 мин из-за прогрева мишени до температуры 35-600С) и к тому же высокую чувствительность к вибрациям, ударам, изменению температуры.