Глава двадцать третья

ЭЛЕКТРОННО-ОПТИЧЕСКИЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ

23.1. НАЗНАЧЕНИЕ, ПРИНЦИП РАБОТЫ И ОСНОВНЫЕ ПАРАМЕТРЫ

ЭЛЕКТРОННОЮПТИЧЕСКИХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ

Электронноюптическим преобразователем (ЭОП) назьшается электровакуумный прибор, предназначенный для преобразования спектрального состава излучения и усиления яркости изображения.

В настоящее время ЭОП находят широкое применение в науке, различных областях техники и народного хозяйства. Являясь элементом оптического звена системы передачи изображения, ЭОП позволяет решать три основные задачи: изменение спектрального состава излучения, усиление яркости (или энергетической яркости) изображения в определенном спектральном диапазоне и высокоскоростная регистрация быст-ропротекающих процессов. Приборы, предназначенные для решения первой задачи, преобразуют невидимое излучение ИК, УФ или рентгеновского диапазона в видимое излучение. Как правило, ЭОП этой группы производят и усиление преобразуемого сигнала. Эти ЭОП находят применение в приборах ночного видения, рентгеновской технике и специальной аппаратуре для научных исследований.

Приборы, служащие для усиления яркости, обычно работают в видимом диапазоне спектра и позволяют зеличивать яркость изображения объекта в сотни тысяч раз. Разработка таких ЭОП позволила изучать объекты с низким уровнем излучения,, наблюдение и фотографирование которых с помощью обычных оптических приборов не представлялось возможным (например, далекие звезды, физические процессы и т. п.).

Для изучения сверхбыстрых процессов в ядерной физике и лазерной технике непригодны даже самые совершенные оптико-механические затворы. Быстродействующие ЭОП позволили создать устройства с временном разрешением, составляющим доли пикосекунд. Для указанных целей были разработаны многокадровые импульсные ЭОП с электронным затвором.

Несмотря на многообразие конструкций принцип действия любого ЭОП основан на фотоэлектроиюй эмиссии, усилении слабого электронного потока по мощности при,сохранении пространственного распределения его плотности и катодолюминесценции. Основными элементами конструкции ЭОП являются полупрозрачный фотокатод, катдо-люминесцентный экран и ЭОС для ускорения и фокусировки электронов. В состав последней может входить вторично-электронный умножитель фотоэлектронов. „

Принцип работы однокамерного ЭОП схематически показан на рис. 23.1. Изображение объекта проецируется объективом на фотока-

Рис. 23.1. Принцип действия электронно-оптического преобразователя:

1 - фотокатод; 2 - фокусирующая ЭОС; 3 - катодолюминесцентный экран

тод. В вакуумном объеме за счет фотоэлектронной эшccии создается электронное изображение объекта, в котором плотность распределения электронов соответствует распределению освещенности по поверхности фотокатода. Полученное электронное изображение переносится с помощью фокусирующей ЭОС на поверхность катодолюминесцентного экрана. Яркость свечения каждой точки экрана, определяемая плотностью электронного потока, попадающего в эту точку, будет зависеть от значения потока изучения, приходящего на соответствующую точку фотокатода. В результате на экране образуется изображение наблюдаемого объекта.

Параметры и характеристики ЭОП, определяющие его функциональные свойства, можно разделить на две группы. Первая группа включает в себя характеристики и параметры его элементов: фотокатода, экрана ЭОС. Эти характеристики были рассмотрены в предьщущих главах. Вторую группу составляют характеристики и параметры самого ЭОП как прибора соответствующего назначегшя.

В качестве фотокатодов ЭОП используются материалы, рассмотренные в гл. 12. Весьма перспективными для ЭОП спектра являются ОЭС-фотокатоды (см. § 12.3), позволяющие повысить чувствительность в ближней к ИК области спектра.

Экраны ЭОП, как правило, имеют желто-зеленый, иногда синий, цвет свечения, характерный для цинкосульфидных люминофоров с примесями меди или серебра (см. гл. 18). Важным параметром люминес-цирующего экрана ЭОП является светоотдача, определяемая световым потоком, приходящимся на единицу мощности электронного потока 7ф = Фц /Р. Светоотдача экранов желто-зеленого цвета свечения обычно составляет несколько десятков люменов на ватт.

Одним из важнейших параметров ЭОП - усилителей яркости изобра-жегшя является коэффициент усиления яркости, определяемый отношением яркости или светимости экрана R к освещенности фотокатода Еук:

ФузПк

ФкПэ

(23.1)

где Пк и Пэ - площади изображений на фотокатоде и на экране соответственно.

Отношение светового потока с экрана к световому потоку, падающему на фотокатод, Фэ/Фук назьтается интегральным коэффициентом

преобразования светового потока т} или просто коэффициентом преобразования светового потока.

Если изображение переносится с фотокатода на экран без изменения масштаба, то коэффищ1ент усиления яркости равен коэффищ1енту преобразования, который можно выразить через параметры фотокатода и экрана. Пусть поток излучения Фе падает на фотокатод, имеющий интегральную чувствительность к этому потоку Sg. Фототок будет равен /к = 8еФе. Мощность электронного потока, бомбардирующего люминофор экрана, Р= IU, где Сэ - приложенное к ЭОП напряжение. Световой поток с экрана равен произведению мощности потока на светоотдачу экрана

Фэ = %=7ф5еФДэ- (23.2)

Световой поток от объекта, падающий на фотокатод, связан с потоком излучения соотношением

Фк= 680Фе7?р, (23.3)

где - КПД глаза при восприятии потока излучения реального объекта.

С помощью (11.14) и (11.16) выразим интегральную чувствительность фотокатода через световую чувствительность, известную из паспорта ЭОП:

S, = \e,6SyKplK, (23.4)

где Ар и Аэ - коэффищ1енты использования фотокатодом потока излучения реального объекта и эталонного потока источника типа А соответственно.

Подставив (23.3) и (23.4) в (23.2), получим

Фуэ= 0,0246Ф;,к7фCэ5rVэ?p-

Отсюда коэффициент преобразования светового потока от объекта

Vv = э/Ф к = 0,0246 yUSy Кр/Кг]р. (23.5)

Допустим, световой поток, излучаемый объектом, соответствует желто-зеленой части видимой области спектра, тогда коэффициент преобразования ЭОП с многощелочным фотокатодом, имеющим световую чувствительность 5 = 200 мкА/лм, = 10 кВ и 7ф = 50 лм/Вт, составит 60.

Коэффициент преобразования, указанный в паспорте ЭОП, обычно измеряется по излучению эталонного потока источника типа А. В этом случае выражение для расчета т} упрощается

\А = Уфги. (23.6)