Уровень: Основной текст Глоссарии: ... Литература

Многокамерные ЭОП

При решении ряда технических задач по обнаружению слабосветящихся объектов освещенность фотокатода оказывается ниже пороговой чувствительности однокамерного преобразователя. Повысить предел световой чувствительности позволяют многокамерные усилители, основанные на различных физических приемах усиления электронного тока.

Усиление методом оптического контакта экрана с фотокатодом достигается последовательным соединением отдельных ЭОП. Можно при этом развить усиление яркости, равное произведению коэффициентов усиления каждого из них. Для сочленения ЭОП применяют три способа оптического контакта экрана с фотокатодом. Все они изображены на рис.29.

Преимущество конструкции, показанной на рис.29,а - простота, однако для нее характерны значительные световые потери при передаче энергии оптикой. Световой поток с экрана излучается в телесном угле 2 p , поэтому даже при наличии светосильного объектива с относительным отверстием 1:0,5 удается использовать световой поток лишь в пределах угла 0,2 p , т.е. 10%. Потери энергии в объективе снизят ее до 6-7%.

Более оптимальным является соединение однокамерных ЭОП в одном объеме - рис.29,б. Люминесцирующий экран первого и фотокатод второго преобразователей нанесены на противоположные стороны тонкой, толщиной несколько микрометров, стеклянной или слюдяной пластинки. Чем тоньше перегородка, тем выше разрешение. Подобная комбинация "экран-фотокатод" называется каскадом усиления по току, а ЭОП - каскадным, или многокамерным. Спектральные характеристики экрана и фотокатода подбираются таким образом, чтобы обеспечить максимальную эффективность каскада усиления. Наиболее пригодны для этого многощелочной или сурьмяно-цезиевый фотокатоды, максимум чувствительности которых располагается в голубой области спектра, а также экран из ZnS , активированный серебром, излучающий также в голубой области спектра. Коэффициент преобразования многокамерного блока: h =S₁ ·S₂ ·U₁ ·U₂ · c _{1 ·} c _{2 ·} k _мк = k _мк ^n-1 · h ⁿ , где S₁ и S₂ - усредненные чувствительности фотокатодов; U ₁ и U₂ - напряжение в камерах усилителя; c ₁ и c ₂ - светоотдача экранов; k _мк - коэффициент, представляющий собой отношение тока фотокатода каскада усиления к величине электронного потока, возбуждающего экран этого каскада. Он определяет соответствие спектральных характеристик фотокатода и экрана и учитывает потери энергии в межкаскадных соединениях. В лучших системах k _мк =0,9. В общем случает коэффициент k _мк рассчитывается по формуле:

где t ( l ) - спектральное значение коэффициента потерь в межкаскадном соединении.

Разработаны двухкамерные ЭОП, коэффициент усиление по току которых составляет 50-100 и коэффициент преобразования равен h =5 · 10³- 10⁴ , а также трехкамерные ЭОП с усилением по току 5 · 10³- 8 · 10³ и коэффициентом преобразования до 5 · 10⁵- 10⁶ ([5]^*) . При большем усилении увеличиваются шумы и заметна квантовая структура изображения, что отражается на его качестве. Поэтому необходимо охлаждение фотокатода, чтобы понизить влияние шума. Очевидно, если наблюдатель уверенно регистрирует вылет из фотокатода отдельных электронов, то дальнейшее усиление нецелесообразно.

Если в многокамерных ЭОП все камеры идентичны, можно принять, что суммарный кружок рассеяния, вызванный аберрациями, пропорционален числу камер n , т.е. 2 r _S =2 r n .

По этим причинам разрешающая способность многокамерных ЭОП ниже однокамерных. Так, разрешение трехкамерного ЭОП составляет в центре поля 10-12 пар лин/мм при электростатической фокусировке и 25 пар лин/мм - при магнитной.

Пороговая чувствительность таких ЭОП определяется выражением: Ф_пор =(E · S)/ h и при Е=0,1 лк имеем Ф_пор =(0,1 · 2,5 · 10^-4)/4 · 10⁵ лм.

Полностью перекрыв фотокатод каскадного ЭОП от внешних засветок, на его экране можно ясно увидеть возникающие маленькие светящиеся точки и отличные от них более яркие точки, появление которых заметно сравнительно редко. Первые проблески являются результатом вылета с фотокатода отдельных электронов, тогда как яркие вспышки света обусловлены ионами остаточного газа в колбе, которые бомбардируют фотокатод и выбивают сразу десятки и даже сотни электронов.

ЭОП с оптическим контактом труден в изготовлении.

В последние годы, в связи с успехами волоконной оптики, стало возможным набирать каскадные ЭОП из отдельных ЭОП-модулей, имеющих плосковогнутые стекловолоконные окна. Два или три модуля соединяются оптическим контактом и вставляются в капсулу (рис.29,в). Усиление в подобном блоке несколько ниже, чем в предыдущем устройстве.

Усиление с использованием вторичной эмиссии "на прострел". Подобный принцип усиления в ЭОП имеет некоторое преимущество перед каскадным усилением. Действие ЭОП поясняиется рис. 30,а.

Каждый каскад усиления (динод) представляет собой диэлектрическую пленку на проводящей основе. Электроны, попадая на диэлектрическую пленку со стороны проводящей подложки, вызывают эмиссию вторичных электронов, которые эмиттируются с противоположной стороны динода ("на прострел") и затем ускоряются полем последующей камеры. Количество испускаемых вторичных электронов зависит от рода поверхности, ее температуры, потенциала, а также от скорости и угла влета первичных электронов. В качестве эффективных эмиттеров используют полупроводники с примесями, например, NaCl, KCl . Ускорение и фокусировка как первичных, так и вторичных электронов осуществляется однородными электростатическими и магнитными полями. Электронам придается энергия, достаточная для того, чтобы они могли пройти сквозь пленку и вызвать вторичные электроны. Чем больше угол, под которым входит первичный электрон к нормали к поверхности пленки, тем больше будет выбито вторичных электронов. Лавинное умножение электронов продолжается до последнего каскада, после чего электроны возбуждают люминофор экрана.

Диноды (рис.30,б) представляют собой тонкую (десятые доли микрометра) прочную пленку окиси алюминия, на которую с одной стороны нанесен проводящий слой алюминия толщиной 0,02-0,03 мкм, нужный для сохранения однородного потенциала, а с другой стороны - тонкий слой тяжелого металла, например, золота, который рассеивает первичные электроны без заметной потери энергии.

Вторичная электронная эмиссия формируется в слое диэлектрика из NaCl . Каждый динод дает усиление по току s=7. Припяти каскадах усиление по току достигает 10000, т.е. создается предельное значение усиления, требуемое для ЭОП.

Разрешающая способность первого динода - 100 пар лин/мм, а на выходе пятикаскадного прибора - 25 пар лин/мм. ЭОПы с таким видом усиления технологически просты. Хотя механическая прочность динодов и невелика, они выдерживают вибрацию и удары и могут эксплуатироваться в обычных полевых условиях.

Недостатки подобной конструкции ЭОП проявляются в том, что у них наблюдается значительная хроматическая аберрация из-за большой электронной эмиссии и скорости электронов; контраст изображения меньше, так как часть первичных электронов пролетает через динод без потерь энергии и не фокусируется поле последующего каскада.