Методы усиления яркости изображения

Яркость изображения на экране ЭОПа можно увеличить, изменяя конструкцию электродов или совершенствуя технологию их изготовления и соответственно параметры:

1. Увеличение чувствительности фотокатода.

2. Увеличение световой отдачи экрана.

3. Увеличение энергии электронов.

4. Сжатие электронно-оптического изображения.

Световой поток с экрана ЭОП всегда расходится в телесном угле 2p независимо от размеров изображения. Поэтому его яркость на экране при одинаковой освещенности фотокатода возрастает как квадрат уменьшения электронно-оптического изображения.

 

Усиление яркости методом оптического контакта экрана с фотокатодом

На рис. 5.13 показан один из вариантов конструкции плоского ЭОПа.

 

Фотокатод 2 наносится на входное стеклянное окно 1. Экран 5 покрыт тонкой плотной алюминиевой пленкой, поверхность которой, обращенная к фотокатоду, обладает низким коэффициентом отражения. Экран 5 наносится на выходное стеклянное окно 4. Кольцеобразная оболочка 3 изготовлена из полупроводящего темного стекла, сопротивление которого не превышает 10¹⁵Ом. Выходное окно с экраном и оболочка спаиваются легкоплавким стеклоприпоем. Электрический вывод осуществляется нанесенными на выходное окно и на нижнюю плоскоть оболочки тонкопленочными металлическими покрытиями 7. Вакуумплотное соединение входного окна с оболочкой осуществляется холодным прессованием в вакууме через индиевое кольцо 6.

Соединяя последовательно отдельные ячейки ЭОПа, можно получить усиление яркости, близкое к произведению коэффициентов усиления каждого ЭОПа. Такой ЭОП выполняется в виде многокамерного прибора в единой вакуумной оболочке.

При соединении нескольких ЭОПов прозрачная перегородка между экраном предыдущего ЭОПа и фотокатодом последующего должна быть как можно тоньше, чтобы не было существенной потери разрешающей способности.

Однако из-за рассеивания светового потока на переходах выигрыш в усилении и разрешающая способность теряются ~ 50%.

Волоконно-оптические окна на входе и выходе ЭОПа позволяют соединять их каскадами, при этом передача изображения с экрана предыдущего ЭОПа осуществляется с помощью непосредственного оптического контакта между поверхностями волоконно-оптических окон. Такие окна представляют собой пластины, состоящие из многих миллионов параллельных стеклянных волокон, каждое из которых окружено оболочкой из стекла с меньшим коэффициентом преломления. Все волокна плотно спрессованы и спечены так, что пластина является вакуумноплотной и служит не только окном для ввода оптической информации, но и окном оболочки вакуумного прибора – ЭОПа.

Каждое волокно в пластине образует самостоятельный световой канал, а волоконно-оптическая пластина переносит оптическое изображение с одной плоскости в другую. Волоконно-оптическую пластину можно считать пластиной нулевой оптической толщины.

Применение волоконно-оптических окон позволяет получить не только высокий коэффициент сбора света, но и высокий контраст изображения.

Усиление яркости изображения может обеспечиваться микроканальной пластиной.

Принцип работы микроканальной пластины (МКП) описан в разделе 5.5. Электронное умножение в МКП происходит при каждом из многочисленных соударений электронов со стенкой канала. Так как число соударений зависит от отношения длины канала к его диаметру и от общего напряжения на каналах, то можно без изменения характеристик МКП значительно уменьшить диаметр каналов. Значит, если соединить параллельно миллионы каналов в единый массив – МКП, то каналы должны работать независимо и вся МКП усиливает двухмерную картину по яркости, разбив ее по числу каналов и сохранив при этом пространственное распределение информации (изображение).

Для усиления яркости изображения МКП располагается перед экраном так, чтобы перенос электронного изображения с МКП на экран происходил в равномерном электрическом поле.

Для получения предельного усиления, когда наблюдатель видит вспышку, являющуюся результатом вылета с фотокатода одного электрона, в современных ЭОПах достаточно получить усиление по току в МКП всего лишь в несколько тысяч раз.

Большинство ЭОПов применяются в приборах ночного видения для обнаружения или распознавания слабоосвещенных и малоконтрастных объектов, вождения ночью, проведения ремонта в ночных условиях и т.д.

 

Рентгеновский ЭОП

 

Рентгеновские РЭОПы предназначены для работы в медицинской рентгенотехнической аппаратуре. Схема устройства РЭОПа приведена на рис. 5.14.

В таком РЭОПе происходит трехкратное преобразование изображения:

1) рентгеновское изображение, сформированное из потока рентгеновских квантов, прошедших через облучаемый объект 1, преобразуется во входном экране 3 в световое изображение;

2) это световое изображение преобразуется фотокатодом 4, находящимся со входным рентгеновским экраном в плотном оптическом контакте, в электронное изображение;

3) электронное изображение переносится электрическим полем высоковольтной эммерсионной линзы и фокусируется с уменьшением примерно в 10 раз в плоскости выходного экрана 6, где вновь возникает световое изображение, но уже в несколько тысяч раз более яркое;

4) РЭОП конструируют так, чтобы диаметр входного рентгеновского экрана перекрывал размеры исследуемого органа человека (5–60 см).

Применение РЭОПов позволяет:

а) повысить информативность рентгеновского изображения и тем самым получать более достоверную диагностику;

б) вести рентгеновские исследования с уменьшенной в 10 раз дозой облучения пациентов;

в) обеспечить дистанционное наблюдение, что позволяет устранить облучение рентгенолога (РЭОП имеет телевизионный выход);

г) проводить рентгеновские исследования в светлом помещении;

д) проводить фотографирование на малоформатную пленку;

е) проводить рентгенокиносъемку или запись на магнитную ленту.

ИОННЫЕ ПРИБОРЫ

Явление газового усиления

Прохождение тока через газообразную среду называют газовым разрядом.

Все газовые разряды можно разделить на два вида: самостоятельные и несамостоятельные. Разряд несамостоятельный, если он горит только при подаче электронов в разрядный промежуток. Причем электроны могут подаваться от любого катода (термокатода, фотокатода). Как только электроны перестают эмиттироваться катодом, разряд гаснет.

Самостоятельный разряд развивается от «случайных электронов» (рентгеновское облучение солнцем) и горит только при подаче напряжения между анодом и катодом. Катоды в самостоятельном разряде, как правило, холодные.

Рассмотрим развитие лавины в несамостоятельном разряде (рис.6.1). На катод падает поток света () и обеспечивает выход электронов с катода за счет фотоэмиссии. Электроны ускоряются в промежутке анод-катод () на расстоянии, равном средней длине свободного пробега, набирают энергию, достаточную для ионизации атомов. Происходит ионизация атомов, в результате появляется еще один электрон и ион. Ион движется к катоду, а два электрона – к аноду. В следующий акт ионизации образуются 4 электрона и 2 иона и т.д. Появляется так называемая лавина. Ионы, бомбардируя катод, вызывают дополнительную ионно-электронную эмиссию с катода, увеличивая число частиц в последующей лавине.

Рис.6.1 – Схема развития несамостоятельного разряда

К А       d

 

Ионы, ускоряясь к катоду, способны ионизировать атомы. Все эти процессы обеспечивают развитие разряда. Если под действием света с катода идет ток , а в результате многих лавин в цепи анода установится ток , возникает вопрос какая связь между ними.

Таундсенд ввел коэффициент объемной электронной ионизации a, показывающий, сколько ионизаций совершает электрон на 1 м пути в газе. a – первый коэффициент Таундсенда.

b – второй коэффициент Таундсенда, это коэффициент объемной ионной ионизации, показывающий, сколько ионизаций совершает ион на 1 м пути в газе. Исследования показали, что этот коэффициент невелик, и мы его не будем учитывать.

g – третий коэффициент Таундсенда, коэффициент ионно-электронной эмиссии, показывающий сколько электронов выбивает из катода один ион, пришедший на него. В результате Таундсенд получил уравнение газового усиления:

где – ток фотоэмиссии с катода;

– ток разряда.

 

6.2 Условие возникновения самостоятельного разряда

При выводе уравнения газового усиления предполагалось, что из-за малых значений g и небольших значений величина . Это значит, что знаменатель уравнения представляет конечную положительную величину.

Если уменьшить ток , то будет уменьшаться и анодный ток. При =0 будет и =0. Это характерно для несамостоятельного разряда.

Если при = const увеличивать ионизирующую способность электронов (изменяя давление и напряженность электрического поля), то будет увеличиваться за счет увеличения в числителе и за счет уменьшения знаменателя . Однако, пока выполняется неравенство , анодный ток будет, если есть ток эмиссии, т.е. разряд остается несамостоятельным.

Если, увеличивая a, выполнить условие , то весь знаменатель равен нулю и при =0 появится неопределенность. При малых уравнение дает большие . Физически это означает, что ток будет и при =0.

Лавины настолько мощные, что эмиссия электронов из катода под действием ионной бомбардировки обеспечивает разряд.

Таким образом, – условие перехода несамостоятельного разряда в самостоятельный.

Условие: разряд становится самостоятельным, если один из выходящих из катода электронов порождает такое количество ионов, которое, приходя к катоду, вновь выбивает из него не менее одного электрона.

Рис. 6.2 – Электрическая схема (а), вольт-амперная характеристика разрядов (б)

 

Виды разрядов

 

На схеме рис. 6.2 показан диод (катод-анод), на катод падает поток света (), между катодом и анодом приложено напряжение, которое можно изменять при помощи R_б. Жирная точка в диоде показывает, что это прибор ионный (он наполнен газом). Если менять напряжение Е_а, то можно получить полную ВАХ разрядов. По оси Х показано изменение I_{разряда} – I_a; по оси Y – U_a. Можно выделить 8 областей на характеристике разрядов (рис. 6.2, б). 1 – режим объемного пространственного заряда, 2 – насыщения. Эти области соответствуют режимам обычного диодного вакуумного промежутка и подчиняются тем же законам. Надо отметить, что ток фотоэмиссии невелик и измеряется в микроамперах. 3 – режим газового усиления, образуются лавины, ток растет. Это темновой несамостоятельный разряд. Ток измеряется сотнями микроампер. Этот разряд горит в ионном фотоэлементе. 4 – режим перехода из несамостоятельного разряда в самостоятельный. Ток растет, а напряжение разряда падает. Режим неустойчивый, ибо динамическое сопротивление отрицательное. 5 – режим самостоятельного тлеющего разряда. Ток – мА, причем ток растет при постоянном напряжении между катодом и анодом. 6 – область аномального тлеющего разряда. Ток растет с ростом U_a. 7 – переходная область из тлеющего разряда в самостоятельный дуговой. 8 – самостоятельный дуговой разряд, U_a» U_i, ток может достигать сотен килоампер. Прибор, как правило, работает в условиях одного разряда, а обеспечивает это R_б, которое не дает перескакивать из одной области характеристики в другую.

Балластное сопротивление обязательно в схемах ионных приборов. Каждый тип разряда обеспечивает работу целого класса приборов, мы остановимся на тлеющем разряде.

 

 

Свойства тлеющего разряда

 

Рис.6.3 – Вольт-амперная характеристика тлеющего разряда (а),

распределение потенциала между электродами в тлеющем разряде (б)

 

Точка а на ВАХ – это точка зажигания разряда (), после зажигания разряда напряжение падает, а ток возрастает. Участок ВАХ (бс) – область горения нормального тлеющего разряда. Напряжение в этой области равно напряжению горения (). Как правило, > . Причем и и зависят от давления, рода газа, материала электродов, геометрии электродов, расстояния между катодом и анодом. Значит, и и – параметры приборов, а вот ток разряда растет от до при почти постоянном напряжении. Кроме постоянного , в тлеющем разряде на участке б-с остается постоянной плотность тока на катоде. Ток разряда растет за счет увеличения рабочей катодной поверхности (светящейся поверхности катода). Если в точке б будет светиться малая часть катода, то в точке с будет светиться весь катод. Это важно для понимания работы индикаторных приборов. Напряжение между электродами распределяется тоже неравномерно. Можно выделить три области (рис. 6.3, б). Около катода область _кп – катодного падения. В этой области падает почти все приложенное между катодом и анодом напряжение, здесь электроны и ионы ускоряются, это самая важная область разряда.

Вторая область – столб плазмы, в этой области напряженность поля почти не изменяется от точки к точке. Это область квазинейтральной плазмы, которая состоит из электронов, ионов и атомов. Причем все они двигаются хаотически, а , поэтому плазма нейтральна. В этой области интенсивно идет процесс возбуждения, а он всегда сопровождается выделением света, область светится. Третья область _ап – анодного падения. Величина анодного падения может быть положительной относительно плазмы, может быть равной потенциалу плазмы и может быть отрицательной относительно плазмы и составляет обычно единицы вольт. Потенциал горения тлеющего разряда составляет сотни вольт (100¸200 В), ток разряда измеряется в мА.

 

Индикаторные панели

Газоразрядные индикаторные панели (ГИП) называют матричными, т.к. они представляют множество светоизлучающих элементов, образуемых на пересечениях ортогональных элементов.

ГИП делятся на 2 группы:

1) постоянного тока с внешней адресацией и с самосканированием;

2) переменного тока.

 

ГИП постоянного тока изображена на рис. 6.4.

 

 

Рис. 6.4 – ГИП постоянного тока:

1 – подложки прозрачные, диэлектрические;

2 – катоды в виде полос металла, нанесенных на подложки распылением;

3 – диэлектрическая матрица;

4 – отверстия связи;

5 – полоски металла - аноды

 

Отверстия связи совмещены с местами пересечения электродов. Пространство между подложками заполнено газом, цвет свечения зависит от газа.

Рис. 6.5 – Схема включения ГИП постоянного тока с внешней адресацией

 

ГИП с внешними резисторами в цепях столбцов (R_к)_.U_а – напряжение строк и U_к – напряжение столбцов. По столбцу все ячейки включаются одновременно. Ток в ячейках, подключенных в строках, может ограничиваться разными резисторами, и они могут включаться одновременно.

ГИП не обладает внутренней памятью и работает в режиме регенерации изображения.

Нормальное формирование изображения в схеме обеспечивается, когда при совпадении импульсов по строке и столбцу промежуток пробивается, т.е.

а при подаче импульсов только по строке или столбцу разряд не зажигается.

ГИП с самосканированием (рис. 6.6) обеспечивает устойчивое зажигание разряда от импульса к импульсу.

Рис. 6.6 – Устройство ГИП с самосканированием:

а – вид сбоку; б – вид сверху

На рис. 6.6 цифрами обозначены: 1 – прозрачная, диэлектрическая подложка; 2 – канавки; 3 – аноды сканирования; 4 – дежурные электроды; 5 – катод сброса, он один и не имеет отверстий связи; 6 – катоды; 7 – отверстия связи; 8 – диэлектрическая матрица с отверстиями связи; 9 – индикаторные аноды; 10 – диэлектрическая подложка.

 

Сейчас изготовляют ГИПС 222х7. В этой панели 222 катода и 7 анодов.

Цифры, показанные на схеме (рис. 6.7), соответствуют электродам на рис. 6.6. Дежурные электроды (4) имеют отдельные выводы, запитаны через R_н. от источника питания Е_д. Между дежурными электродами горит постоянно разряд с током в несколько микроампер. Рядом с дежурными электродами расположен катод сброса (5), он имеет отдельный вывод (U_кс). Катоды (222) подсоединены к трем шинам. Катоды 1, 4, 7, 10 и т.д. имеют выводы U_к1; катоды 2, 5, 8, 11 и т.д. имеют вывод U_к2; катоды 3, 6, 9, 12 и т.д. имеют вывод U_к3. Аноды сканирования и индикаторные аноды имеют выводы и подсоединяются к источникам питания через R_н.

 

Рис. 6.7 – Электрическая схема ГИПС

 

Напряжения в виде прямоугольных импульсов подаются в определенные отрезки времени (рис. 6.8). В течение времени (t₀ - t₁) подается отрицательный импульс на катод сброса, около катода сброса расположен дежурный разряд, его электроны помогают зажечь разряд на катод сброса. Во время (t₁ - t₂) подается импульс напряжения на катоды U_к1 (1, 4, 7 и т.д.). Разряд зажигается на первый катод, т.е. около него находится катод сброса и соответственно электроны, помогающие зажечь разряд. Во время (t₂ - t₃) разряд переходит на катод 2, (t₃ - t₄) - на катод 3, (t₄ - t₅) - на катод 4 и т.д. На все 222 катода сканирует разряд, происходит шаговое перемещение разряда. Когда разряд доходит до последнего катода, чтобы начать сканирование, надо снова подать импульс на катод сброса. При этом движение сканирующего разряда не видно оператору, он находится со стороны индикаторных анодов.

 

 

Рис. 6.8 – Импульсы напряжений, подаваемых на электроды

 

Для формирования изображения используется индикаторный разряд, возникающий в отверстиях диэлектрической матрицы при подаче положительных импульсов U_аи на аноды индикации. Выборка индикаторной ячейки основана на том, что разряд возникает в ячейках, если совпадают два события: на анод индикации поступает импульс U_аи, а разряд сканирования находится в том же столбце, что и данная ячейка индикации. В системе индикации, так же как при сканировании, разряд одновременно происходит только на одном катоде.

Наиболее часто эти ГИПы применяются для воспроизведения буквенно-цифровой информации.

ГИП с самосканированием работает в режиме регенерации изображения, что ограничивает информационную емкость индикаторного поля. Можно применить ГИП с запоминанием информации после снятия сигналов выборки. Это ГИП переменного тока, также с матричной структурой, образованной перпендикулярными электродами. Они отличаются от ГИП постоянного тока тем, что их металлические электроды покрыты тонким слоем диэлектрика.

Каждая ячейка ГИП переменного тока представляет собой структуру металл-диэлектрик-газ-диэлектрик-металл (МДГДМ). Из-за наличия емкостей через ячейку может протекать только переменный ток.

Диаграммы напряжений и токов, иллюстрирующих работу ГИП переменного тока, приведены на рис. 6.9.

 

Рис. 6.9 – Диаграммы напряжений и токов

 

В рабочем состоянии между системами вертикальных и горизонтальных электродов приложено знакопеременное поддерживающее напряжение , меньшее напряжения возникновения разряда (). Возбуждение разряда в ячейке «запись» производится подачей на катод отрицательного импульса напряжения (интервал t₁ - t₂), амплитуда которого достаточна для пробоя. В результате протекания тока i емкость структуры МДГДМ заряжается до , значение приложенного к газовому промежутку падает и первый импульс разрядного тока прекращается.

После этого газовый промежуток возвращается к непроводящему состоянию, благодаря чему на емкостях сохраняется накопленное напряжение (t₂ - t₃). Во время (t₃ - t₄) к промежутку прикладывается положительное поддерживающее напряжение. В сумме с напряжением , сохраняющимся на емкостях, оно достаточно для повторного возбуждения разряда.

В интервале (t₃ - t₄) протекание тока приводит к перезарядке емкости до противоположной полярности. При этом на ячейке напряжение меняется на . Итак, пока к ГИП приложено поддерживающее напряжение, в ячейке, возбужденной импульсами записи, существуют серии разнополярных импульсов тока разряда (t₅ - t₆; t_n - t_n+1). Наличие емкостей в структуре МДГДМ каждой ячейки обеспечивает электрическую развязку и возможность параллельного существования разряда в любом числе ячеек. Однако в ГИП переменного тока, как и в любой матричной системе, выборка одновременно может осуществляться только для ограниченного числа ЭО (например, ЭО строки или столбца).

Для прекращения разряда на данную ячейку (на ее строку или столбец) подают импульс «стирание» с амплитудой, меньшей, чем при записи (t_n+2 - t_n+3).

Такие импульсы вызывают более слабую перезарядку емкостей ячеек, чем при записи. Конечное значение напряжения на емкости _ост оказывается близким к нулю. Очередной импульс поддерживающего напряжения не может вызвать повторного пробоя, и серия разрядов в ячейке прекращается.

Сфера применения индикаторных панелей довольно широка – это экраны коллективного пользования, редакционно-издательское дело, экраны бытовой аппаратуры (часы, калькуляторы, измерительные приборы), информационный комплекс, телевидение, дисплеи и терминалы ЭВМ различного назначения. Для перекрытия всех областей применения требуются индикаторные панели, отображающие от одного до 8000 символов. Площадь от 10 мм² до десятков квадратных метров, а высота символов от нескольких миллиметров до нескольких сантиметров.

Если рассматривать видимое свечение, возникающее в процессе разряда, то существует несколько способов изменения цвета этого свечения: регулирование режима и условий горения разряда, установка светофильтров, а также комбинация этих способов. Что касается полицветной окраски, то необходимо получить основные цвета (синий, зеленый, красный). Для этого используют свечение люминофора, покрывающего электроды, либо под воздействием ультрафиолетового излучения разряда. Основные разработки направлены на поиски новых люминофоров.

 

РЕКОМЕНДУЕМАЯ ЛИТЕРАТУРА

1. Соболев В.Д. Физические основы электронной техники. – М.: Высшая школа, 1979.

2. Батушев В.А. Электронные приборы. – М.: Высшая школа, 1980.

3. Каганов И.Л. Ионные приборы. – М.: Энергия, 1972.

4. Яблонский Ф.М., Троицкий Ю.В. Средства отображения информации. – М.: Высшая школа, 1985.

5. Жигарев А.А., Шамаев Г.Г. Электронно-лучевые и фотоэлектронные приборы. – М.: Высшая школа, 1982.

6. Василевский А.М., Тихонов В.В. Оптическая электроника. – Л.: Энергоиздат, 1990.