Электронно-оптические преобразователи (ЭОПы)

Зрение позволяет человеку получать наибольшую информацию о событиях, происходящих вокруг него. Поэтому затрачиваются огромные усилия, чтобы расширить эти возможности. Вне сферы нашего восприятия остаются объекты, изображение которых лежит в рентгеновской, ультрафиолетовой и инфракрасной областях спектра.

Задачи преобразования спектрального диапазона, усиления яркости или сверхбыстрой регистрации изображения решаются с помощью электронно-оптических преобразователей.

По преобразованию спектрального диапазона электронно-оптические преобразователи охватывают ближнее инфракрасное, видимое, ультрафиолетовое, жесткое и мягкое рентгеновские, нейтронное и гамма-излучения.

В видимом диапазоне ЭОП позволяет повысить яркость изображения в сотни тысяч раз.

Быстродействие ЭОПов настолько велико, что с их помощью можно создать фоторегистрирующие устройства с временным разрешением 10^–12 с.

Основными элементами ЭОПов являются фотокатод с внешним фотоэффектом, фокусирующая и ускоряющая электроны электронно-оптическая система и люминесцентный экран.

 

 

Схематически принцип действия ЭОП показан на рис. 5.12. Изображение предмета с помощью объектива 2 проецируется на фотокатод. За счет фотоэлектронной эмиссии на поверхности фотокатода создается электронное изображение 4, в котором плотность электронов соответствует плотности облучения в самом оптическом изображении 3. Электроны, эмиттируемые из облученной точки фотокатода, покидают его поверхность с различными скоростями под различными углами. Электронно-оптическая система (6) создает в ЭОПе поле, ускоряющее электроны и фокусирующее их таким образом, чтобы все электроны, вылетевшие из этой точки, собрались в соответствующей точке на экране. Таким образом, электронное изображение переносится в плоскость экрана, и при этом распределение степени возбуждения экрана или, соответственно, распределение яркости его свечения определятся распределением плотности облучения в изображении наблюдаемого предмета на фотокатоде.

На этом этапе происходит преобразование электронного изображения в видимое.

В электронно-оптическом преобразователе присходит двойное преобразование из невидимого спектра в электронное изображение, из электронного - в видимое на люминесцентном экране. Состав люминофора экрана подобран так, чтобы получилось яркое и контрастное изображение в видимом свете.

Параметры ЭОПов

Предположим, что на фотокатод площадью S_к падает световой поток Ф_к.

Чувствительность фотокатода (К), как правило, одинакова по всей его поверхности. Значение фототока, излучаемого фотокатодом, будет равно I_ф= К× Ф_к. Если светоотдача экрана, измеренная в люменах светового потока, излучаемого экраном, на 1 Вт мощности электронного потока h, а анодное напряжение ЭОПа U_a, то экран излучат световой поток Ф_э , равный К × Ф_к h × U_a, а усиление светового потока g_ф – коэффициент преобразования по яркости - составит

g_ф = К × U_а × h.

Например, при интегральной чувствительности фотокатода К= 200 мкА/лм, анодном напряжении U_a = 10 кВ и светоотдаче h = 30 мл/Вт в ЭОПе обеспечивается усиление светового потока в 60 раз.

Если изображение переносится с фотокатода на экран без изменения масштаба, то яркость изображения на экране возрастает во столько же раз, во сколько возрастает световой поток. Если же изображение на экране уменьшено в m_э = раз, то яркость экрана повышается в Г_э² раз. Величину m_э называют электронно-оптическим увеличением ЭОПа.

Преобразование спектрального диапазона обусловлено разными областями спектральных характеристик фотокатода и экрана.

Четкость изображения на экране ЭОПа определяется как рассеиванием электронов, так и рассеиванием света в экране, стеклянных или слюдяных окнах, в стекловолоконных элементах и т.д. Дискретная структура микроканальных и стекловолоконных пластин, которые применяются в современных ЭОПах, также ограничивает четкость изображения. Важнейшей характеристикой ЭОП, определяющей качество изображения на экране, является сохранение контраста изображения, который определяется соотношением

 

где c – контраст изображения на экране ЭОП при проецировании на его фотокатод большого (диаметром несколько мм) непрозрачного предмета, В_св – яркость световых участков экрана, В _т – яркость темных участков экрана.

По способу переноса электронного изображения с фотокатода на экран ЭОПы можно разделить на три типа:

1) ЭОП с параллельным переносом изображения в однородном электрическом поле (плоский);

2) ЭОП с электромагнитной фокусировкой;

3) ЭОП с электростатической фокусировкой в неоднородном поле.