Электронно-оптические преобразователи

Устройство и принцип действия. Схема простейшего ЭОП показана на рис. 3.7, он выполнен в виде стеклянной колбы с параллельными передней и задней стенками.

Рис. 3.7. Схема простейшего ЭОП: 1 - объект наблюдения;
2 - объектив; 3 - фотокатод; 4 - стеклянная колба; 5 - экран
На переднюю стенку нанесен полупрозрачный кислородноцезиевый фотокатод, а на заднюю - флюоресцирующий экран из сернистого цинка. Катод и экран нанесены на серебряные полупрозрачные подложки, которые являются электродами
преобразователя, между ними прикладывают ускоряющее
напряжение до 10 кВ.
Изображение объекта 1 (например в ИК- или УФ-лучах) проецируется объективом 2 на фотокатод 3, при этом облученность фотокатода оказывается пропорциональной темным и светлым участкам объекта. Поэтому излучение более ярких участков возбуждает на фотокатоде большее количество электронов и большую их эмиссию, чем темных участков. Вылетающие фотоэлектроны, попадая в ЭП между катодом и экраном, ускоряются и, бомбардируя экран, вызывают его свечение. Интенсивность свечения отдельных точек экрана зависит от интенсивности электронного потока. А так как интенсивность потока в, свою очередь, зависит от интенсивности облучения соответствующих участков фотокатода, то в результате на экране возникает видимое изображение объекта. Чтобы электроны двигались от анода к экрану без столкновений с молекулами воздуха, в стеклянной колбе ЭОП создан вакуум порядка 10^-2 ... 1 (Г³ Па.
Так как в такой конструкции простейшего ЭП электроны, исходящие из одной точки фотокатода, не фокусируются, а лишь переносятся этим полем на экран, то изображение точки на экране
100
получается в виде кружка рассеяния, из-за разброса начальных скоростей (рис. 3.8). Диаметр кружка рассеяния определяется как

где и₀ - напряжение, определяющее начальную энергию электронов (для кислородно-серебряноцезиевого фотокатода U₀ = 0,3 В ), U_y - ускоряющее напряжение, 1 - расстояние между фотокатодом и экраном.

Рис. 3.8. Траектория движения электрона
Ускоряющее напряжение U_y = ЁЛ, где Ё - напряженность ЭП, а траектория движения электрона описывается формулой

Если И) = 0, то L = Ёёг/2т и время пролета электрона равно

Из формулы (3.5) следует, что для увеличения разрешающей способности ЭОП необходимо повышать ускоряющее напряжение и уменьшать расстояние между катодом и экраном. Однако это положение оказывается справедливым только до определенных пределов. При напряженности поля у фотокатода порядка 10 кВ/см начинается автоэлектронная эмиссия с катода, вызывающая свечение экрана и резко снижающая контрастность изображения. Увеличение ускоряющего напряжения и уменьшение расстояния между фотокатодом и экраном может привести к электронному пробою между ними и выходу ЭОП из строя; кроме того, уменьшение 1 приводит к обратной засветке фотокатода от излучения экрана и появлению паразитного фона. Эти факторы ограничивают разрешающую способность двухэлектродных преобразователей. Максимальная разрешающая способность, которую с ними удавалось получить, составляла не более 10 - 12 штр мм. Для улучшения разрешающей способности ЭОП вводят электростатическую или магнитную фокусировку.
В ЭОП с электростатической фокусирующей системой электронные пучки фокусируются ЭП, создаваемым электронной линзой.
Так как напряженность ЭП возрастает от катода к экрану плавно, а экран отнесен на значительное расстояние от фотокатода, то становится возможным применение больших ускоряющих напряжений. Меняя соотношение размеров между фокусирующими электродами, можно изготовлять ЭОП с увеличением и уменьшением изображения. При уменьшении изображения возрастает яркость свечения экрана и усиливается яркость изображения за счет увеличения потока плотности тока.
Разрешающая способность ЭОП такого типа 40 - 60 штр/мм в центре поля зрения. В ЭОП с плоским фотокатодом разрешающая сила сильно падает на краях катода вследствие кривизны эквипотенциальных линий вблизи поверхности катода. Для улучшения разрешающей силы по полю катод выполняют не плоским, а выпуклым. Однако такой катод нуждается в сложной специальной оптике, что зачастую представляет неудобства, особенно технологические.
Для фокусировки электронного изображения применяются и магнитные линзы. Так как МП изменяет только направление движения электронов, а не их энергию, то в ЭОП с магнитной линзой между фотокатодом и экраном располагается ускоряющий электрод, создающий ускоряющее ЭП. Дополнительное поле магнитной линзы фокусирует электронный пучок и участвует в формировании изображения на экране. И хотя ЭОП с магнитной фокусировкой дают возможность получать изображение с достаточно высоким разрешением по всему полю зрения, из-за увеличения массы, габаритов и необходимости дополнительного источника такие ЭОП используются крайне редко.
Фотокатоды ЭОП изготавливают путем напыления в вакууме нескольких слоев различных металлов на полупрозрачную металлическую (обычно серебряную) подложку. Слой серебра (подложки) напыляется на внутреннюю сторону входного окна колбы ЭОП. На практике чаще используются слои, образуемые соединением сурьмы с цезием, окисленного серебра с цезием и сурьмы с калием, натрием и цезием.
Для изготовления экранов преобразователей применяют люминофоры из сульфида цинка, сульфид-селенида цинка или силиката цинка (виллемита). Цвет свечения зависит от типа люминофора. В ЭОП для визуального наблюдения применяют люминофоры с желто-зеленым свечением. Для фотографирования с экрана удобнее люминофор с синим свечением, спектральная характеристика свечения которого лучше согласуется со спектральной чувствительностью фотопленки. Для повышения световой отдачи экрана внутреннюю поверхность его покрывают тонким слоем алюминия.
Качество электронно-оптических преобразователей можно оценить по основным характеристикам.
1. Интегральная чувствительность S характеризуется отношением фототока ЭОП к потоку излучения (чувствительность фотокатодов определяют по излучению лампы накаливания с цветовой температурой Т_с = 2854 К), попавшему на фотокатод:
где S выражается в мкА/лм. 
2. Спектральная чувствительность Si равна отношению величины фототока i*. к величине потока от источника монохроматического излучения Ф_к и определяет область спектра, в которой может работать данный ЭОП.
Иногда чувствительность ЭОП характеризуют в единицах облученности. Освещенность на фотокатоде равна

где Е_к выражается в люксах; р - коэффициент отражения наблюдаемого объекта; г - коэффициент пропускания оптической системы, используемой с ЭОП; Е₀