Суперортикон

4.5. Суперортикон

Этот преобразователь работает в режиме накопления – световой поток, попадающий на элемент изображения, действует в течение всего кадра, так что элементарный конденсатор, соответствующий этому элементу изображения, накапливает заряд в течение всего времени кадра, а считывается этот заряд за время прохождения лучом элемента. Эквивалентная схема преобразователя с накоплением показана на рис. 4.5. За время кадра Тк элементарный конденсатор накапливает заряд: q_зар = i_ф  Т_к.

При считывании ключ К замыкается на время t_счит и конденсатор Сэ разряжается через нагрузочное сопротивление R_н. При полном считывании q_зар = q_счит поэтому ток сигнала: , где N – количество элементов изображения.

Принцип накопления может быть реализован при использовании мозаичной фотомишени, состоящей из изолированных ячеек, каждая из которых содержит микрофотоэлемент и накопительный конденсатор С (рис. 4.6.). Конденсаторы заряжаются до разных напряжений в соответствии с локальной освещенностью, образуя потенциальный рельеф на мишени. Электронный луч, перемещающийся по мишени в соответствии с законом развертки (прямоугольно-прогрессивный растр), поочередно подключает различные накопительные конденсаторы С_i и разряжает их через нагрузочное сопротивление, через которое и протекает ток сигнала.

При накоплении отношение сигнал/шум увеличивается в раз. Это означает, что при прочих равных условиях преобразователь с накоплением требует в (kz²) раз меньшей освещенности на фотокатоде (мишени).

Кроме эффекта накопления, в суперортиконе используется усиление первичного фотозаряда за счет вторичной электронной эмиссии на материале мишени.

Для пояснения этого процесса рассмотрим процесс формирования потенциала изолированной мишени, которая облучается электронным пучком (рис. 4.7.). В зависимости от энергии электронов первичного пучка меняется коэффициент вторичной эмиссии. Полагаем по-прежнему, что выполняется условие полного отбора всех вторичных электронов. Зависимость коэффициента вторичной эмиссии от ускоряющего потенциала U_A приведена на рис. 4.8, а. При ускоряющем потенциале 0  U_A  U_kp1 (область медленных электронов) мишень получает некоторый отрицательный (относительно катода) равновесный потенциал U_HP  (-1,5 B), а затем все электроны отражаются от мишени, не проникая в нее. Затем, при U_kp1  U_A  U_kp2 (область быстрых электронов) энергии электронов достаточно для проникновения в мишень несмотря на ее тормозящее поле. Эти первичные электроны выбивают из мишени вторичные электроны, количество которых больше количества первичных, так что мишень получает положительный потенциал, линейно зависящий от ускоряющего потенциала. В области U_A U_kp2 мишень остается относительно катода положительно заряженной до величины  U_kp2 (рис. 4.8, б). Потенциал мишени относительно анода при изменении ускоряющего напряжения показан на рис. 4.8, в. В области U_kp1 < U_A < U_kp2 разность потенциалов мишень-анод постоянна и составляет +3В, т.е. мишень имеет положительный потенциал по отношению к аноду.

В области I (U_A < U_kp1) работают секции передающих трубок с разверткой лучом медленных электронов, в области II (U_kp1 < U_A < U_kp2) работают секции трубок с быстрыми электронами.

На основе эффекта накопления и явления вторичной электронной эмиссии с изолированной полупроводниковой мишенью в (30-40)-е годы нашего столетия были разработаны несколько типов передающих трубок, наиболее совершенной (и самой сложной) из которых является суперортикон (рис. 4.9.). Суперортикон состоит из трех секций: создания и переноса электронного изображения, коммутации (и разряда) мишени лучом медленных электронов и секции вторично-электронного усиления.

Первую секцию образуют полупрозрачный фотокатод 1 на внутренней стороне торцевой стенки (планшайбы) баллона трубки, ускоряющий электрод 2 (короткий проводящий цилиндр) и двусторонняя мишень в виде пленки полупроводникового стекла толщиной 5 мкм и находящейся перед ней на расстоянии  50 мкм проволочной сеткой с густотой до 1000 отв/мм² и прозрачностью для электронов  0,7.

Вылетающие из катода фотоэлектроны образуют электронное изображение, в первой фокальной плоскости которого располагается мишень. Ускоряющее напряжение этой секции составляет  450 В, поэтому коэффициент вторичной эмиссии   1. Вторичные электроны улавливаются упомянутой сеткой, так что оптическое изображение на фотокатоде преобразуется в потенциальный рельеф мишени. Положительный заряд, образованный на мишени за счет освещенности соответствующего элемента оптического изображения, создает напряжение на цепочке последовательно соединенных элементарных конденсаторов С_см, С_м и С_ма (рис. 4.10), где С_см – емкость конденсатора, образованного сеткой и левой стороной мишени, С_м – между левой и правой сторонами мишени и С_ма – между правой стороной мишени и тормозящим электродом, относящимся ко второй секции суперортикона. В соответствии с межэлектродными расстояниями и значительной величиной диэлектрической проницаемости стекла (в 80 раз больше, чем у вакуума) можно записать:

С_м  С_см  С_ма,

т.е. практически все напряжение приложено к обкладкам С_ма, а наименьшая часть – к С_м. Это означает, что потенциалы левой и правой обкладок С_м одинаковы, т.е. потенциальный рельеф левой стороны мишени без изменений передается на правую.

Вторая секция трубки работает в области медленных электронов. Она состоит из электронного прожектора 8 с апертурой  50 мкм, фокусирующего анода 6 (металлическое внутреннее покрытие баллона) и тормозящего электрода 4 (короткий металлический цилиндр вблизи мишени). Иногда добавляют выравнивающую сетку 5. Луч прожектора отклоняется строчными и кадровыми катушками, образуя растр на мишени.

За счет продольного фокусирующего поля и тормозящего поля последнего электрода 4 электроны с практически нулевой скоростью перпендикулярно «ощупывают» мишень. При достаточно большом токе пучка потенциал мишени доводится до нижнего равновесного значения U_HP независимо от величины начального положительного потенциала. Для этого требуется большая или меньшая часть тока луча, а остальная часть тока луча, не потребовавшаяся для компенсации накопленного на мишени положительного заряда, отражается от мишени и возвращается в обратном направлении.

Третья секция суперортикона предназначена для усиления возвращенной части тока луча. Она состоит из пяти кольцевых электродов (динодов) умножителя, на выходе последнего из которых включен нагрузочный резистор R_н. Эта секция трубки, как и первая, работает в режиме быстрых электронов; общий коэффициент усиления достигает 10³.

В целом суперортикон вырабатывает позитивный сигнал, т.е. высокой освещенности участка фотокатода («уровень белого») соответствует максимальный ток вторично-электронного умножителя, т.е. наибольшее значение напряжение в точке А (рис. 4.9.). Световая характеристика трубки этого типа приведена на рис. 4.11. Начальный участок линеен, что объясняется тем, что элементарные конденсаторы С_см не успевают полностью зарядиться за время кадра, все вторичные электроны, выбитые из мишени, отбираются сеткой и объемный заряд между мишенью и сеткой отсутствует. Трубка на линейном участке правильно воспроизводит среднюю яркость изображений. При увеличении освещенности фотокатода (участок ВС) фотоэлектроны будут доводить потенциал мишени до равновесного значения U_BP (рис. 4.8), на несколько вольт выше потенциала сетки. Образуется местное тормозящее поле, создающее объемный заряд, который уравнивает число первичных (фото)электронов и число вторичных. собираемых сеткой. Трубка не будет правильно воспроизводить среднюю яркость изображения. Описанная характеристика соответствует статическому оптическому изображению («белый квадрат на черном фоне»). Несмотря на линейную зависимость участка АВ, практически он не используется из-за малого отношения сигнал/шум. Рабочим участком служит диапазон ВС, где из-за тормозящего объемного заряда вторичные электроны, выбитые из участков мишени, соответствующих наиболее светлым местам фотокатода, возвращаются на близлежащие участки, снижая тем самым их потенциал. Таким образом, образуются динамические характеристики трубки (пунктир на рис. 4.11), которая соответствует проецированию на фотокатод полутоновой шкалы (десять градаций).

Динамический диапазон освещенностей у суперортикона выше, чем у человеческого глаза, однако желание иметь большое отношение с/ш ( 20) заставляет работать с освещенностями в (2-3) выше Е₁ (рис. 4.11), которую принимают за чувствительность суперортикона.

Спектральная характеристика трубки, как обычно, определяется материалом фотокатода.

Разрешающая способность суперортикона описывается апертурной характеристикой (рис. 4.12), т.е. изменением (модуляцией) величины тока i_e через нагрузочный резистор от количества строк z в растре (диаметра апертуры). Разрешающая способность зависит от конечного значения диаметра коммутирующего луча и качества фокусировки электронного изображения на мишени.

В заключение еще раз подчеркнем высокую чувствительность и разрешающую способность суперортикона. Как уже отмечалось, эта трубка имеет существенные недостатки:

довольно высокий уровень шумов;

неравномерность сигнала по растру за счет различных скоростей считывающего луча в центре и на краях мишени;

сложна в производстве и эксплуатации;

большие габариты, чувствительность к внешним факторам (удары, вибрации, изменение температуры);

недостаточная долговечность (200-750) час;

большое время подготовки к работе после включения (до 30 минут).