Передающие телевизионные трубки

Передающая трубка преобразует оптическое изображение в видеосигнал. В простейшем случае это фотоэлемент, на катод которого попеременно проецируются отдельные элементы передаваемого изображения. Или много фотоэлементов, сигналы от каждого из которых передаются поочередно.

Наибольшее распространение получили трубки, в которых электронный луч развертывает оптическое изображение, спроецированное на фоточувствительную поверхность – это трубки без переноса изображения (иконоскоп, ортикон); или луч развертывает электронное изображение, перенесенное с фотокатода на специальную мишень (супериконоскоп, суперортикон).

 

Рис. 4.20 – Суперортикон:

1 – полупрозрачный фотокатод; 2, 5, 6, 7 – ускоряющие электроды;

3 – сетка; 4 – мишень; 8 – фокусирующая катушка;

9 – отклоняющие катушки; 10 – корректирующие катушки;

11 – модулятор, катод; 12 – коллектор вторичных электронов, он же

анод электронной пушки; 13 – диноды фотоумножителя;

14 – анод фотоумножителя

 

Суперортикон

 

Колба суперортикона состоит из двух цилиндров разного диаметра (рис. 4.20). На переднюю плоскую поверхность большого баллона с внутренней стороны нанесен сплошной полупрозрачный фотокатод, освещаемый снаружи трубки. В плоское дно меньшего цилиндра вварена электронная пушка. Трубка охвачена длинной катушкой (соленоидом), создающей однородное магнитное поле, силовые линии которого параллельны оси трубки.

С помощью стеклянной линзы на катоде создается оптическое изображение. Плотность тока электронов с катода из каждого элемента пропорциональна освещенности. Фотоэлектроны ускоряются электродом 2 и, ведомые магнитным полем, переносятся на мишень 4, выполненную из тонкого стекла. Мишень заряжена по отношению к фотокатоду положительно (в несколько сот вольт). Электроны выбивают вторичные, причем . Вторичные электроны, покидая диэлектрическую мишень, оставляют на ней зарядовый рельеф (при – положительный).

Светлые места имеют более положительный потенциал, темные – менее. Причем рельеф получается более глубоким, чем если бы электроны осаждались на диэлектрике, идет уже усиление сигнала (электронное).

Чтобы вторичные электроны не возвращались обратно, на расстоянии (30¸60 мкм) помещают мелкоструктурную сетку 3, положительную относительно мишени. Мишень и сетка образуют конденсатор, накапливающий заряд при записи изображения.

Мишень – особенность суперортикона (4 –5 мкм), тонкая пленка из специального стекла, обладающего повышенной электропроводностью. Из-за малой толщины поперечное сопротивление небольшое, и потенциальный рельеф успевает проникнуть и на противоположную сторону. Продольное сопротивление достаточно велико, и нет заметного растекания заряда по поверхности и сглаживания рельефа

Теперь потенциальный рельеф необходимо считать, преобразовать в видеосигнал. Этим занимается электронный луч, который обегает мишень по закону телевизионной развертки, строка за строкой. Считывающий луч создается пушкой (катод 11, модулятор 11, анод 12). При токе луча 1–2 мкА диаметр луча у мишени 30¸40 мкм. Для получения неискаженного изображения надо, чтобы луч был во всех точках перпендикулярен мишени. Это достигается подбором потенциалов на электродах и магнитными катушками.

Для считывания используются электроны малой энергии (). Они замедляются одним из электродов около мишени (5).

Если фотокатод затемнен, рельефа нет. При развертывании луча по такой мишени она заряжается электронами до нуля (катода). Электроны луча отталкиваются от мишени и возвращаются.

Возвращающиеся электроны ускоряются полем анода 12, который одновременно является первым эмиттером электронного умножителя. Он имеет . Первичный ток усиливается в s раз. Проходя по динодам, ток возрастает в несколько тысяч раз и, стекая по R, создает , передаваемое на усилитель. В случае неосвещенной панели сигнал остается постоянным.

Спроецируем изображение. При развертке электронный луч покрывает каждый элемент мишени, оставляя на нем ровно столько электронов, сколько надо для нейтрализации его положительного потенциала.

Таким образом, отраженный луч будет негативно промодулирован передаваемым изображением. Переменная составляющая этого потока – видеосигнал.

Заряд на мишени накапливается, пока луч снова не придет на этот элемент (трубка с накоплением заряда).

 

Видикон

Видикон является передающей трубкой с полупроводниковой фотопроводящей мишенью, накоплением заряда и перезарядным считыванием. Устройство видикона схематически показано на рис. 4.21.

 

Рис. 4.21 - Видикон:

1 – катод, 2 – модулятор, 3 – анод первый, 4 – анод второй, 5 – сетка,

коллектор, 6 – фотосопротивление, 7 – прозрачная, сигнальная пластина,

8 – подстроечная магнитная катушка, 9 – отклоняющие катушки,

10 – фокусирующие катушки

 

Передаваемое изображение проектируется через прозрачную металлическую пластину 7 на фотосопротивление, нанесенное непосредственно на сигнальную пластину. Электронный пучок прожектора развертывает противоположную сторону фотосопротивления. Фокусируется он магнитной катушкой, в которой помещается вся трубка. Тонкая прозрачная для электронов сетка 5 создает перед фотосопротивлением однородное электростатическое поле. Сигнальная пластина имеет постоянный относительно катода потенциал ~ 30 В. Пучок медленных электронов при развертке фотосопротивления заряжает поверхность до потенциала катода. Если нет освещения, несмотря на разность потенциалов, фотосопротивление значительное и течет малый темновой ток. Когда проектируется световое изображение, проводимость в освещенных участках резко возрастает, в результате развертываемая поверхность заряжается до потенциала +1¸2 В по отношению к катоду.

Считывающий луч тонкий (20¸30 мкм) с очень малым током (I=0,3¸0,6 мкА).

Стекло входное – полированное. Фотослой имеет сопротивление R=10¹¹¸10¹² Ом×см.

Образуется множество элементарных конденсаторов. На коммутируемой поверхности создается потенциальный рельеф. При прохождении электронного луча все элементы опять доводятся до потенциала катода. Но, поскольку величина их была разная и изменение разное, это – видеосигнал. Разрешающая способность видеоканала при Д=26 см – 600 строк.

Видикон может работать в двух режимах:

1) развертка медленными электронами;

2) развертка быстрыми электронами.

ФОТОЭЛЕКТРОННЫЕ ПРИБОРЫ

 

Фотоэлектронные приборы – приемники оптического излучения. Они предназначены для обнаружения и измерения электромагнитного излучения оптического диапазона и непосредственного преобразования его в электромагнитную энергию.

Электромагнитное излучение оптического диапазона рассматривается как волновой процесс или как поток элементарных частиц, называемых фотонами.

Энергия фотона монохроматического излучения с длиной волны l определяется формулой:

где W – энергия фотона;

h – постоянная Планка;

n – частота излучения;

c – скорость света;

l – длина волны.

В основе действия большого класса приемников излучения лежит фотоэлектрический эффект – процесс полного или частичного освобождения заряженных частиц в веществе в результате поглощения фотонов.

Фотоэлектронная эмиссия используется в вакуумных и газонаполненных фотоэлементах, фотоэлектронных умножителях, передающих телевизионных трубках, электронно-оптических преобразователях. Эти приемники под воздействием падающего света и приложенного к электродам напряжения пропускают фототок только в одном направлении.

Источником фотоэлектронов в любом фотоэлектронном приборе служит фотокатод – это тонкая пленка полупроводникового материала. Толщина этой пленки для массивных фотокатодов обычно не превышает нескольких микрон, а для полупрозрачных фотокатодов она составляет примерно 25¸40 нм. Массивные фотокатоды облучаются со стороны вакуума. Облучаемая и эмиттирующая стороны у них совпадают, фотокатоды работают на отражение. Полупрозрачные фотокатоды облучаются со стороны подложки, на которую наносится фотокатод. Фотокатоды работают на просвет.

По спектральным характеристикам современные типы фотокатодов можно подразделить на три группы: фотокатоды, чувствительные в ультрафиолетовой, видимой и ближней инфракрасной областях излучения.

 

Ток фотоэмиссии

На фотокатод подает квант света . При освещении фотокатода он начинает эмиттировать электроны, и в анодной цепи возникает ток, величина которого пропорциональна интенсивности светового потока :

 

 

где – интегральная чувствительность.

 

(мкА/лм).

 

Интегральная чувствительность показывает величину анодного тока в микроамперах, вызываемого световым потоком в один люмен, полученным от источника света определенного типа. Интегральная чувствительность достигает мкА/лм.

Важным параметром фотокатода является его спектральная чувствительность , которая характеризует величину фотоэлектронной эмиссии, возникающей под действием светового потока определенной длины волны:

 

Сурьмяно-цезиевый   Кислородно- цезиевый     l   Рис. 5.1 – Спектральные характеристики фотокатодов

 

Зависимость спектральной чувствительности от длины волны падающего света называется спектральной характеристикой фотокатода.

Видно, что катоды сильно отличаются по спектральной чувствительности (рис. 5.1).

 

 

На рис. 5.2 представлены анодные характеристики электронного фотоэлемента при разных потоках света.

 

 

Рис. 5.2 – Анодные характеристики

 

Зависимость тока фотоэлемента от величины светового потока при называется световой характеристикой. Эта характеристика линейна.

 

Электронный фотоэлемент

Электронный фотоэлемент – это вакуумный диод. В стеклянном баллоне размещены два электрода: фотокатод и анод (рис. 5.3).

Катод – электрод, который эмиттирует электроны, анод собирает эти электроны и является коллектором. В схеме на рис. 5.3 катод имеет потенциал, равный нулю (потенциал земли), и от этого значения будет отсчитываться потенциал анода, в схеме анод имеет положительный потенциал относительно катода.

Основным параметром катода является ток эмиссии I_Э. Если фотокатод облучается постоянным потоком монохроматического света, то ток эмиссии остается постоянным. Величина тока эмиссии определяется количеством электронов, вышедших из фотокатода. На анод подается положительное относительно катода напряжение (U_а), в цепи анода при этом протекает ток анода (I_а). Величина анодного тока, определяемая числом электронов, достигших анода, зависит от тока эмиссии (I_Э) катода и от напряжения на аноде U_а. _.

Используя схему рис.5.3, можно снять статическую, анодную вольт-амперную характеристику фотоэлемента. Для этого световой поток (Ф) поддерживаем постоянным, стало быть ток эмиссии с катода (I_Э) тоже остается постоянным. Меняем напряжение на аноде (U_а), измеряем ток в цепи анода (I_a) и получаем зависимость I_a = f(U_а) при I_Э = const.

 

На рис. 5.4 кривая 1 – это теоретическая вольт-амперная характеристика диодного промежутка, рассчитанная по закону степени 3/2. Эта характеристика выходит из нуля и уходит в сторону больших токов и напряжений. Кривая 2 – реальная вольт-амперная характеристика фотоэлемента. На участке I обе характеристики совпадают, на участке II крутизна реальной характеристики уменьшается, и она уходит в сторону от теоретической. Можно показать две области анодной характеристики.

При постоянном световом потоке I_Э = const. С увеличением напряжения на аноде число электронов, достигших анода (I_a), возрастает (область 1). Однако часть электронов не может попасть на анод, и у поверхности катода формирует отрицательный пространственный заряд (рис. 5.5, а). Этот участок характеристики можно описать законом 3/2:

 

(A),

 

где S_к – площадь фотокатода, l_{к а} – расстояние между катодом и анодом.

 

На участке нормальной работы фотоэлемента (область II) практически все электроны, вылетающие из фотокатода, собираются анодом. Пространственный заряд около катода исчезает (рис. 5.5, б). Фототок принимает насыщенное значение (рис. 5.4, II), пропорциональное световому потоку. Дальнейшее возрастание напряжения U_а в первом приближении не приводит к увеличению фототока. Однако и здесь кривая имеет некоторый наклон к оси абсцисс.

Это может быть вызвано уменьшением потенциального барьера и работы выхода электронов из катода под действием приложенного к нему большого внешнего поля (эффект Шоттки).

 

Параметры фотоэлемента

 

По статической анодной характеристике можно определить статические параметры фотоэлемента (рис. 5.4):

 

S = (мк А/В) – крутизна характеристики;

 

R_i= (МО_м) – динамическое сопротивление;

 

R_o= (МО_м) – сопротивление постоянному току.

 

Нагрузочный режим

 

В рабочем режиме фотодиода сигнал U_Rн снимается с сопротивления нагрузки R_н (рис. 5.6), которое включается в анодную цепь.

 

При включении сопротивления R_н происходит перераспределение напряжения источника питания E_a между прибором и сопротивлением. Если при R_н = 0 все прилагаемое от источника питания напряжение падает между катодом и анодом фотодиода (Е_а=U_a), то при наличии R_н часть напряжения падает между катодом и анодом, а вторая часть – на сопротивление нагрузки U_Rн.:

E_a= U_a + U_Rн.

Надо помнить, что включение R_н всегда ведет к перераспределению напряжения источника питания и соответственно к уменьшению U_a и тока анода I_a.

Еа

Как перераспределяется напряжение источника питания, можно рассмотреть при построении нагрузочной прямой (рис. 5.7).

Сопротивление нагрузки включено поледовательно с фотодиодом, ток через диодный промежуток и R_н протекает тот же. В соответствии с законом Кирхгофа для контура, обтекаемого током I_a, можно записать:

E_a= U_a + I_a × R_н.

Возьмем на вольтамперной характеристике (рис. 5.7) точку А. В этой точке между катодом и анодом фотодиода приложено напряжение U_a и протекает ток I_a. Чтобы найти, какое напряжение падает на R_н и чему равно напряжение источника питания при этом, построим нагрузочную прямую. Чтобы построить прямую, достаточно найти две точки.

Предположим, что I_a = 0, тогда напряжения на сопротивлении нагрузки нет, и все напряжение источника питания приложено между катодом и анодом (Е_а=U_a). Находим точку, соответствующую Е_а на оси абсцисс. Чтобы найти точку на оси ординат, необходимо выполнение условия U_a= 0. Тогда точка на оси ординат будет I_a= . Соединим эти две точки и получаем нагрузочную прямую для определенного R_н. На оси абсцисс получили напряжение источника питания Е_а, известно напряжение между катодом и анодом фотодиода, а разность этих двух напряжений дает напряжение, падающее на сопротивлении нагрузки U_Rн. На оси ординат полученная точка I_a = E_a /R_н позволяет определить R_н для данной нагрузочной прямой. Если сопротивление нагрузки увеличить, то точка I_a= E/R_н сместится вниз, и, наоборот, уменьшение R_н перемещает точку E_a/R_н вверх. Учитывая, что ток анода I_a в фотоэлементах измеряется в мКА, сопротивления нагрузки измеряются в МОм.

 

Ионный фотоэлемент

1 2 3           Рис. 5.8 – Вольт-амперная характеристика ионного фотоэлемента

При наполнении фотоэлемента инертным газом (гелий, неон) появляется возможность повысить чувствительность прибора путем зажигания несамостоятельного газового разряда.

Вольт-амперная характеристика ионного фотоэлемента

при

представлена на рис. 5.8

На характеристике ионного фотоэлемента при изменении напряжения на аноде можно выделить три области:

1 – режим пространственного разряда;

2 – режим насыщения ( = );

3 – режим газового усиления.

Когда напряжение на аноде становится достаточно большим, в приборе возникает ударная ионизация газа и ток анода увеличивается, следовательно, увеличивается и чувствительность прибора. Отношение тока в рабочей точке к току насыщения называется коэффициентом газового усиления:

Обычно он имеет величину 5¸8. Дальнейшее увеличение коэффициента невозможно из-за опасности возникновения тлеющего разряда.