Электронно-оптические преобразователи

Электронно-оптические преобразователи
Электронно-оптические преобразователи (ЭОП) - это электровакуумные приборы, которые служат для усиления яркости изображения, а также для преобразования изображений, полученных в инфракрасной (ПК) или ультрафиолетовой (УФ) области спектра, в видимое. ЭОП не являются телевизионными приборами, а используются в качестве входных устройств для повышения их чувствительности.
Схема устройства ЭОП приведена на рис. 3.6. Изображение проецируется объективом на пленочный фотокатод 1, работающий
«на просвет», т.е. и освещение, и отбор фотоэлектронов осуществляется с разных сторон пленки. Электронно-оптическая система 2 ускоряет электроны и фокусирует их на люминесцентный экран 3, находящийся под потенциалом порядка 10³...10⁴ В относительно фотокатода.

Рис. 3.6. Схема устройства ЭОП
Каждый фотоэлектрон, благодаря приобретенной в ЭП энергии, возбуждает на экране множество центров свечения, поэтому число фотонов hi/, испускаемых экраном 3, превышает число фотонов, падающих на фотокатод 1.
Облучение фотокатода 1 квантами любого спектрального состава преобразуется в излучение, спектральный состав которого определяется лишь типом люминофора. Поскольку излучение применяемых в ЭОП люминофоров практически полностью приходится на видимую область спектра, происходит визуализация УФ- или ИК-изображений или дополнительное повышение яркости изображений.
Важнейшее применение ЭОП - наблюдение объектов в ночное время суток. Здесь важна чувствительность фотокатода в ближней ИК-области спектра, поскольку на эту область приходится основная часть излучения ночного неба.
Кроме того, ЭОП применяются для преобразования рентгеновских изображений и регистрации ядерных, в частности нейтронных, излучений. В рентгеновских ЭОП в качестве экрана используется флюоресцентный экран, обычно применяемый в рентгенотехнике, и роль собственно ЭОП состоит в образовании более яркого изображения, чем получается на таком экране. Это позволяет сократить время экспозиции и дозы облучения в рентгенодиагностике и дефектоскопии.
Из предыдущего ясно, что фотокатоды ЭОП, предназначенные для усиления яркости изображений, должны иметь как можно больший квантовый выход в видимой и ближней ИК-областях спектра и как можно меньшую темновую эмиссию. Этим требованиям в наибольшей степени отвечают два типа структур: напыляемые на стекла пленочные композиции из сурьмы и щелочных металлов, например, цезия; монокристаллические или эпитаксиальные слои группы А³В⁵ или кремния с поверхностью, обработанной цезием или цезием с кислородом.
Применяемые катодные структуры обладают сильно выраженным p-типом проводимости, что необходимо для достижения высоких параметров. Среди катодов первого типа в современных ЭОП чаще применяются так называемые много щелочные, имеющие стехиометрическую формулу вида (Cs_z) Na_x К_у Sb, где х ~ 2, у ~ 1, z ~ ~0,1 - 0,2. Скобки, в которые взят цезий, означают, что он присутствует в основном в качестве поверхностного слоя, роль которого состоит в следующем.
Отдавая электроны, атомы цезия создают положительный поверхностный заряд, который (в полупроводнике p-типа) создает приповерхностный изгиб энергетических зон, приводящий к уменьшению пороговой энергии фотоэмиссии (р₀ Пороговую энергию фотоэмиссии называют также фотоэлектрической работой выхода.
Уменьшение пороговой энергии приводит к увеличению граничной длины волны и повышению квантового выхода, особенно в длинноволновой части спектра чувствительности. Теоретический предел квантового выхода многощелочных катодов составляет 0,5, интегральная чувствительность - порядка сотен мкА/лм.
Особенностью катодных структур второго типа (на основе А³В⁵ или Si) является уменьшение потенциального барьера относительно уровня вакуума, что достигается надлежащей обработкой поверхности цезием или цезием с кислородом. Такой барьер допускает туннельную эмиссию электронов. Кроме того, вероятность выхода повышается благодаря разогреву электронов полем в области изгиба энергетических зон. В итоге существенно повышается квантовый выход по сравнению с обычными катодами, особенно в спектральной вблизи красной границы.
Если у ЭОП, служащих для усиления яркости изображений слабо освещенных сцен, стремятся продлить спектр
чувствительности в сторону длинных волн, то у ЭОП, предназначенных для регистрации УФ-излучений, обычно стремятся исключить чувствительность к видимому свету. Это достигается конструктивно-техноло-гическими приемами.
Таким образом, основными элементами ЭОП являются фотокатод, фокусирующая и ускоряющая электроны электроннооптическая система и катодолюминесцентный экран.