Электронно-оптические преобразователи — cостояние и тенденции развития. Эоп 7в


электронно-оптический преобразователь - патент РФ 2331948

Изобретение относится к электронно-оптическим преобразователям (ЭОП), фотоэлектронным умножителям и детекторам фотонов, в которых используются микроканальная пластина и источник питания. ЭОП содержит микроканальную пластину (МКП), каждый канал которой обеспечен индивидуальным газопоглотителем в виде покрытия из вещества или соединения двух или более веществ, имеющих высокую сорбционную способность и коэффициент вторичной эмиссии больше единицы, например из соединения цезия с сурьмой или теллуром, преимущественно в виде устойчивых соединений Cs 3Sb, Cs2Te, и обеспечен индивидуальными газопоглотителями входной, выходной поверхностей МКП между каналами и экрана в виде покрытия из вещества или соединения двух или более веществ, обладающих высокими сорбционными свойствами, с одновременным снижением энергопотребления ЭОП на 30-40% за счет уменьшения напряжения на МКП, которое не превышает 0,8 от величины напряжения на МКП, установленной универсальной кривой усиления МКП. Изобретение позволяет обеспечить долговечность данных приборов без использования ионно-барьерной пленки более 15000 ч. 3 ил.

Рисунки к патенту РФ 2331948

Изобретение относится к электронно-оптическим преобразователям (ЭОП), фотоэлектронным умножителям (ФЭУ) и детекторам фотонов, в которых используются микроканальные пластины (МКП) и источники питания, и может быть использовано в любом из этих приборов.

Принцип действия ЭОП, детекторов фотонов и ФЭУ основан на испускании фотокатодом электронов в ответ на принятые фотоны, их усилении и преобразовании в видимую сцену (ЭОП) или в электрический сигнал (детекторы фотонов, ФЭУ). Принцип действия вышеуказанных приборов почти одинаков, поэтому подробно рассмотрим работу ЭОП 3 поколения, в котором предлагаемые технические решения дают наиболее высокие результаты.

Работа ЭОП основана на усилении яркости изображения. Основное усиление яркости изображения осуществляет МКП за счет умножения фотоэлектронов, испускаемых фотокатодом в ответ на полученные фотоны, и умножения вторичных электронов в каналах МКП. Вышедшие из каналов МКП вторичные электроны ускоряются под действием электрического поля и, попадая на приемник изображения ЭОП, например люминесцентный экран, повторяют спроецированную на фотокатод сцену, усиленную по яркости в несколько сотен раз.

В современных ЭОП 3 поколения обычно используется фотокатод на основе арсенида галия (GaAs), активированный окисью цезия (Cs:O). Данный фотокатод очень требователен к величине остаточного давления и легко подвержен отравлению, что приводит к падению чувствительности фотокатода и сокращению срока службы ЭОП. Современные технологии не позволяют полностью обезгазить узлы ЭОП и получить необходимую величину остаточного давления в корпусе ЭОП для обеспечения необходимого срока службы, поэтому в современных ЭОП 3 поколения используется защита фотокатода в виде ионно-барьерной пленки, нанесенной на входную поверхность МКП. При входе фотоэлектронов в МКП и соударении их со стенками каналов, а также при соударениях вторичных электронов со стенками каналов выделяются активные газы, которые могут превратиться в положительные ионы и под действием электрического поля бомбардировать фотокатод, также на фотокатод из-за его высокой сорбционной способности могут оседать нейтральные газы. Ионно-барьерная пленка, нанесенная на входную поверхность МКП, предотвращает выход из каналов МКП положительных ионов и нейтральных газов и тем самым сохраняет фотокатод, что увеличивает срок службы прибора. Однако использование ионно-барьерной пленки имеет и отрицательные стороны. Ее применение ухудшает такие характеристики ЭОП, как отношение сигнал - шум, разрешение, уровень темнового фона, что снижает качество изображения и уменьшает дальность действия прибора.

Вопросу исключения ионно-барьерной пленки уделяется очень много внимания, так как ЭОП без ионно-барьерной пленки имеет более высокие технические характеристики и обеспечивает увеличение дальности действия прибора. Известно, что в электровакуумных приборах при ионной бомбардировке, электронной бомбардировке и при нагреве происходит значительное газоотделение с деталей и узлов, подвергшихся данным воздействиям. В ЭОП при работе прибора имеет место электронная бомбардировка входной поверхности МКП между ее каналами, стенок каналов МКП и экрана ЭОП, с поверхностей которых десорбируются газы, находящиеся в приповерхностных слоях и в объеме данных узлов ЭОП. Основной причиной, не позволяющей исключить ионно-барьерную пленку, является принципиальная невозможность полностью обезгазить все узлы прибора и особенно объем МКП и экрана, поэтому можно лишь обеспечить обезгаживание приповерхностных слоев, которые затем восполняются из более глубинных слоев. Использование для изготовления МКП стекла с объемной проводимостью лишь на первый взгляд может принести положительные результаты. Действительно, при образовании положительного иона он за счет объемной проводимости стекла должен осесть на стенку канала, но он осядет на стенку, сместившись к входу МКП из-за воздействия поля внутри канала МКП, с образованием нейтральной газовой частицы. При ударении фотоэлектрона или вторичного электрона в эту нейтральную частицу она вновь десорбируется с поверхности и при преобразовании ее в положительный ион этот ион снова начнет двигаться к входной поверхности МКП внутри канала и вновь осядет на стенке за счет объемной проводимости стекла. Далее подобные превращения с передвижением в сторону фотокатода будут повторятся, пока положительный ион полностью не выйдет из микроканала МКП и под действием электрического поля не ударится в поверхность фотокатода. На нейтральные газы стекло с объемной проводимостью не влияет. Таким образом, при использовании для изготовления МКП стекла с объемной проводимостью не исключается бомбардировка фотокатода положительными ионами и оседание на фотокатод нейтральных газов и поэтому не решается проблема долговечности беспленочных ЭОП. В работе Буто (Boutot J.-P., Acta Electron, 14, 243, 1971), который провел обширные измерения скорости десорбции газа из МКП как в процессе обезгаживания, так и в процессе эксплуатации, показано, что длительное термическое обезгаживание при температуре между 300 и 520°С и электронная очистка позволяют уменьшить последующую десорбцию газов до столь низких величин, что они могут быть сорбированы соответствующим газопоглотителем, обеспечивающим требуемую долговечность ЭОП. Однако использование существующих газопоглотителей в виде Ti/Та проволоки и заполнение объема ЭОП цезием не обеспечивают требуемой долговечности ЭОП 3 поколения с использованием МКП без ионно-барьерной пленки.

Для подачи напряжений на фотокатод, МКП и экран используются источники питания, входящие в состав ЭОП. Если ранее использовались нестробируемые источники питания, то в последнее время все большее распространение получают стробируемые источники питания. Стробируемые источники питания ЭОП имеют значительные преимущества, так как обеспечивают высокое качество изображения в большом динамическом диапазоне входной освещенности. Кроме того, они обеспечивают защиту фотокатода от бомбардировки положительными ионами в тысячу и более раз при высоких освещенностях, когда длительность рабочего цикла в тысячу и более раз меньше полной длительности цикла, что увеличивает долговечность ЭОП. При низкой освещенности эффективность защиты фотокатода мала и составляет всего проценты или доли процентов, так как длительность рабочего цикла в этом режиме близка к полной длительности цикла, но так как газовыделение в этом режиме незначительное, то оно не приводит к существенному сокращению срока службы. Однако существующие источники питания ЭОП, как стробируемые, так и не стробируемые, имеют достаточно высокое энергопотребление, связанное с необходимостью подачи на МКП напряжения большой величины. Так, например, в соответствии с универсальной кривой усиления МКП коэффициент усиления, равный 300, при калибре 44, обеспечивается при напряжении на МКП, равном 1000 В. Учитывая, что сопротивление используемых в ЭОП МКП составляет порядка 100-200×106 Ом, то потребляемая МКП мощность составит 5-10×10-3 Вт. Мощность, потребляемая другими электродами ЭОП, не превышает 1×10-3 Вт. Из этого соотношения видно, что основным энергопотребителем в ЭОП является МКП.

Известен ЭОП, не содержащий ионно-барьерной пленки, с заявленной долговечностью 7500 ч (Патент США №6,437,491 от 20.08.2002 г). ЭОП содержит фотокатод, микроканальную пластину, приемник, например, люминесцентный экран и титано-танталовый проволочный газопоглотитель, которые помещены в корпус ЭОП, заполненный до определенного давления цезием.

Недостатком данного технического решения является недостаточная долговечность прибора, так как цезий не образует устойчивых соединений с внутрикорпусными элементами прибора и не обладает достаточной сорбционной способностью для обеспечения длительного срока службы порядка 15-20 тыс.ч, даже при совместной работе с титано-танталовым газопоглотителем.

Известен также ЭОП с заявленной долговечностью в 7500 ч, использующий стробируемый источник питания и не содержащий ионно-барьерной пленки, принятый за прототип (Патент США №6,320,180 от 20.11.2001 г). Данный ЭОП содержит фотокатод, МКП, приемник изображения, например, люминисцентный экран и титано-танталовый проволочный газопоглотитель, помещенные в корпус ЭОП, заполненный до определенного давления цезием. Стробируемый источник питания содержит два умножителя напряжения фотокатода, один из которых вырабатывает отрицательное напряжение, а второй - положительное напряжение, относительно входа МКП, умножитель МКП, обеспечивающий подачу дифференциального напряжения на вход и выход МКП, умножитель напряжения экрана.

Данный ЭОП имеет недостатки, заключающиеся в большом энергопотреблении и недостаточной долговечности, которая составляет порядка 7500 часов из-за низкой эффективности используемых в данном ЭОП газопоглотителей.

Задачей изобретения является увеличение срока службы ЭОП без ионно-барьерной пленки и снижение энергопотребления ЭОП.

Поставленная задача решается тем, что в известном ЭОП, содержащем заполненный цезием корпус, фотокатод, МКП, приемник изображения, например, люминесцентный экран, проволочный газопоглотитель и источник питания, в состав ЭОП введены дополнительные индивидуальные газопоглотители в каналы МКП в виде нанесенного в вакууме покрытия на стенки каналов МКП со стороны входа, выхода МКП или с обеих сторон, из вещества или соединения двух и более веществ, обладающих высокой сорбционной способностью и коэффициентом вторичной эмиссии больше единицы, также дополнительные индивидуальные газопоглотители введены между каналами МКП на входной, выходной поверхностях МКП или с обеих сторон и на экране в виде нанесенного в вакууме покрытия из вещества или соединения двух и более веществ, обладающих высокой сорбционной способностью, причем величина напряжения на МКП составляет менее 0,8 от величины напряжения на МКП, установленной универсальной кривой усиления МКП.

Предлагаемое решение, на наш взгляд, является новым и не следует явным образом из уровня техники, т.к. влияние совокупности отличительных признаков на технический результат из уровня техники не известен, что позволяет сделать вывод о соответствии предлагаемого решения критерию «изобретательский уровень».

На фиг.1 схематично показан разрез предлагаемого ЭОП.

На фиг.2 показаны графики универсальной кривой усиления МКП.

На фиг.3 схематично показан в увеличенном масштабе разрез ЭОП в соответствии с предлагаемым решением.

В соответствии с фиг.1 ЭОП содержит фотокатод 1, МКП 2, люминесцентный экран 3, корпус 4, проволочный газопоглотитель 5 и источник питания 6. Фотокатод 1 на поверхности, обращенной к входу МКП 2, имеет полупроводниковую структуру, в описываемом случае состоящую из соединения GaAs, активированную окисью цезия Cs:O. На электроды ЭОП поданы напряжения от источника питания 6. Обычно данные напряжения имеют следующие величины: напряжение между фотокатодом 1 и входной поверхностью МКП 2 составляет 800 В (при использовании на входной поверхности МКП 2 ионно-барьерной пленки), напряжение на МКП 2 обычно составляет 800-1000 В, напряжение экрана 3 обычно составляет от 4000 до 6000 В. Так как в соответствии с настоящим изобретением на входной поверхности МКП 2 не требуется защитной ионно-барьерной пленки, то величина напряжения между фотокатодом 1 и входной поверхностью МКП 2 может устанавливаться от 50 до 200 В. Напряжение на МКП 2 устанавливается примерно 450 В. При такой величине напряжения на МКП 2, усиление МКП 2 в соответствии с настоящим изобретением будет примерно соответствовать величине усиления, которое обеспечивает обычная МКП с напряжением, равным примерно 1000 В. График усиления обычной МКП приведен на универсальной кривой усиления МКП, фиг.2.

Теперь обратимся к схематическому изображению разреза ЭОП, представленному на фиг.3, и поясним, почему в предлагаемом изобретении не требуется использовать ионно-барьерную пленку на входной поверхности МКП 2. Фотоэлектроны, выходящие из фотокатода 1, в ответ на принятые фотоны, попадают в каналы 7, МКП 2. Каналы 7 имеют индивидуальные газопоглотители в виде покрытия 8 на стенках каналов 7. В качестве покрытия 8, как указано в формуле изобретения, должно быть использовано вещество или соединение из двух или более веществ, обладающих высокой сорбционной способностью и коэффициентом вторичной эмиссии больше единицы. Из практики фотоэлектронных приборов известно, что эффективными эмиттерами вторичных электронов является большинство типов фотокатодов. С точки зрения вторичной электронной эмиссии исследованы сурьмяно-цезиевые, висмутоцезиевые, теллуроцезиевые, двухщелочные, мультищелочные эмиттеры, а также эмиттеры на базе материалов с отрицательным электронным сродством.

Все данные эмиттеры по коэффициенту вторичной эмиссии значительно превосходят покрытие, которое используется в известных МКП и имеет коэффициент вторичной эмиссии порядка 1,5. Так, например, сурьмяно-цезиевый эмиттер имеет коэффициент вторичной эмиссии порядка 5÷6 при Ер=100 эВ, многощелочные - порядка 7÷8 при Ер=100 эВ и эмиттеры на базе материалов с отрицательным электронным сродством - порядка 10÷90.

Также известно, что высокими сорбционными свойствами обладают цезий, барий, цирконий и ряд других веществ и их соединений. Также при выборе покрытий необходимо учитывать проводящие свойства пленок, т.к. их нанесение на стенки каналов 7 приведет к изменению сопротивления, рабочего напряжения и других параметров МКП, как за счет проводимости пленок, так и за счет повышения эффективности соударений фотоэлектронов (первое соударение) и вторичных электронов с покрытием 8 на стенках каналов 7. Также необходимо учитывать фотоэмиссионные, термоэлектронные и другие свойства покрытия и их влияния на характеристики ЭОП. Так как в качестве покрытия 8 можно использовать достаточно большое количество различных соединений, то дальнейшее описание будет проведено применительно к использованию сурьмяно-цезиевого эмиттера в виде устойчивого соединения Cs3Sb, которое обладает высокой сорбционной способностью и большим коэффициентом вторичной эмиссии.

Покрытие 8 при использовании соединения Cs 3Sb имеет коэффициент вторичной эмиссии, примерно равный 6, поэтому каждый фотоэлектрон в среднем образует, ориентировочно, шесть вторичных электронов. Высокая эффективность первого соударения и высокий коэффициент вторичной эмиссии позволяют снизить рабочее напряжение МКП 2 примерно с 1000 до 450 В при одинаковом коэффициенте усиления МКП 2. Это снижает энергию вторичных электронов при дальнейших соударениях со стенками каналов, что приводит к уменьшению газоотделения, кроме того, соединение Cs3 Sb в качестве покрытия 8 стенок каналов 7 МКП 2 более чем на порядок эффективнее, чем наполнение корпуса ЭОП цезием, как предлагается в прототипе и других известных решениях. В случае наполнения корпуса ЭОП цезием можно создать только монослой, который не образует устойчивых соединений с веществами, находящимися на внутренних поверхностях корпуса ЭОП, и имеет в десятки раз меньшую сорбционную способность и эффективность действия, чем устойчивое соединение Cs3Sb на стенках каналов, причем газопоглотители установлены именно в местах газовыделения, что дополнительно увеличивает их эффективность. При соударении фотоэлектронов или вторичных электронов со стенками каналов 7 из них десорбируются газы, которые поглощаются покрытием 8. Для обеспечения оптимального газопоглощения покрытие 8 на стенках каналов 7 должно наноситься в высоком вакууме, желательно, лучше чем 1×10 -7 Па, в этом случае электроны, ударяющиеся в покрытие 8, вообще могут не вызвать десорбцию газов, так как покрытие 8 «экранирует» стенки каналов 7, а само покрытие 8 практически вообще не содержит замурованных и растворенных газов. Для придания еще более высокой газопоглотительной способности покрытие 8 может быть подвержено термическому и электронному обезгаживанию.

При нанесении покрытия 8 в каналы 7 МКП 2 оно также попадает на промежутки между каналами 7 на входной поверхности МКП 2. При ударении фотоэлектронов в эти промежутки возникает большое количество вторичных электронов, но так как вторичные электроны имеют малую среднюю энергию, порядка 1,25 эВ, то это не приводит к увеличению ореола вокруг основного изображения. Исключение с входной поверхности МКП 2 ионно-барьерной пленки позволяет уменьшить величину напряжения между фотокатодом 1 и входной поверхностью МКП 2 с 800 до 50-200 В с одновременным уменьшением расстояния между фотокатодом 1 и входной поверхностью МКП 2 с 200-250 до 30-50 мкм, что уменьшает ореол и позволяет получить прибор с меньшим ореолом, чем в известных приборах, в которых используется ионно-барьерная пленка. Снижение рабочего напряжения на МКП и снижение напряжения на входном промежутке позволяет уменьшить энергопотребление ЭОП. Само же покрытие 8 на входной поверхности МКП 2 играет роль дополнительного газопоглотителя и эффективно поглощает газы в промежутке между фотокатодом 1 и входной поверхностью МКП 2. При необходимости на покрытие 8, расположенное на входной поверхности МКП 2, между каналами 7, можно нанести слой вещества, обладающего малым коэффициентом вторичной эмиссии, который нужно наносить под малым углом к входной поверхности МКП 2, так чтобы данное вещество не попадало в каналы 7 на покрытие 8.

Использование при изготовлении ЭОП технологии двойного сочленения, т.е. герметизацию фотокатода 1 с одной стороной корпуса ЭОП и герметизацию экрана 3 с другой стороной корпуса ЭОП, позволяет наносить покрытие 8 в каналы 7 МКП 2 со стороны выходной поверхности МКП 2 и также позволяет наносить покрытие 9 на люминесцентный экран 3. Покрытие 8, наносимое на стенки каналов 7 со стороны выходной поверхности МКП 2, должно иметь примерно такие же характеристики, что и покрытие, наносимое со стороны входной поверхности МКП 2. Отличие заключается лишь в том, что покрытие 8, нанесенное на выходной поверхности МКП 2, в промежутках между каналами 7, не подвергается электронной бомбардировке в процессе работы ЭОП. При необходимости на данное покрытие можно нанести дополнительные покрытия из других веществ или их соединений, что позволяет дополнительно улучшить характеристики ЭОП. Также для нанесения покрытия 8 со стороны выходной поверхности МПК 2 можно использовать другие типы покрытий, например, обладающие меньшим коэффициентом вторичной эмиссии, но большей сорбционной способностью.

Покрытие 9, наносимое на экран 3, должно, в основном, обладать высокими сорбционными свойствами для обеспечения поглощения газов, выходящих из экрана 3 при его электронной бомбардировке. Покрытие 9 также должно наноситься в условиях высокого вакуума и его также можно улучшить путем термического и электронного обезгаживания.

Теперь рассмотрим геометрию покрытий 8 и 9. Хотя геометрические размеры покрытий не имеют принципиального значения для реализации настоящего изобретения и улучшение параметров ЭОП будет обеспечено при использовании рекомендаций, известных из соответствующей технической литературы, необходима некоторая конкретизация из-за специфики использовании покрытий 8 и 9. Глубину покрытия 8 в каналах 7 МКП 2 необходимо выбирать с учетом проводимости наносимой пленки. При использовании соединения Cs 3Sb глубина нанесения покрытия 8 в каналах 7 может составлять от нескольких единиц величины диаметра канала до нескольких десятков величины диаметра канала, причем без обеспечения специальных мер (расположение наносимого вещества относительно МКП с учетом угла наклона каналов, использование вращения и т.п.), глубина нанесения покрытия в канале будет неравномерной. Толщина покрытия 8 будет изменяться по глубине каналов 7 от нулевой величины до нескольких сотен или тысяч ангстрем. При использовании в качестве газопоглотителя в каналах 7 определенных типов покрытий 8, данные покрытия 8 могут наноситься по всей длине каналов 7. Толщина покрытия 9 на экране 3 должна выбираться с учетом уменьшения энергии электронов при прохождении покрытия 9 и может изменяться от нескольких сот до нескольких тысяч ангстрем. При нанесении покрытия 8 и 9 также желательно учитывать тот факт, что электроны могут рассеиваться, поэтому покрытие на МКП 2 и экране 3 целесообразно выполнять с некоторым запасом по площади. В явлении газопоглощения могут быть использованы также все другие поверхности ЭОП, например внутренние элементы корпуса ЭОП, на которые могут быть нанесены какие-либо типы покрытий, которые имеют высокие сорбционные свойства и которые не нарушают работу ЭОП.

Покрытие 9 на экране 3 действует несколько иначе, чем покрытие 8 на МКП 2. Дело заключается в том, что электроны, выходящие из МКП 2, пробивают покрытие 9 и попадают на люминесцентный экран 3, из которого будут адсорбироваться газы. В этом случае покрытие 9 будет поглощать выходящие из экрана 3 газы в основном поверхностью, которая непосредственно прилегает к экрану 3, а другая поверхность покрытия 9 будет эффективно поглощать газы, находящиеся в промежутке между выходной поверхностью МКП 2 и покрытием 9, нанесенным на экран 3. Покрытие 8, нанесенное на стенки каналов 7 и на входную поверхность МКП 2, расположенную между каналами, будет действовать следующим образом. Фотоэлектроны, испускаемые фотокатодом 1, и вторичные электроны, образующиеся в каналах 7 МКП 2, имеют значительно меньшую энергию, чем электроны, бомбардирующие экран 3, поэтому энергия этих электронов будет недостаточна, чтобы пройти сквозь покрытие 8. Поэтому покрытие 8 больше играет роль экранирующего покрытия, которое препятствует соударению электронов с непокрытыми поверхностями каналов 7, а так как покрытия 8 и 9 наносятся в условиях высокого вакуума, то газоотделение из вещества этих покрытий при их бомбардировке электронами будет очень мало (в разы и десятки раз меньше, чем из непокрытых стенок каналов 7 МКП 2), и малые количества газа будут поглощаться покрытием 8. Покрытия 8 и 9 имеют более сложный состав, чем указано выше. В соответствии с данными, известными из опубликованных работ, система (CsSb) может содержать 8 видов соединений: Cs3Sb, Cs3 Sb2, Cs2Sb, Cs 3Sb2, Cs5Sb 4, CsSb, CsSb2 и Cs 3Sb7. При синтезе Cs 3Sb, данная система проходит через образование всех соединений от Cs3Sb7 до Cs 3Sb поэтому в соединении Cs3Sb могут присутствовать какие-то другие соединения данной системы. При избытке цезия наблюдается эвтектическое равновесие в виде соединения (Cs3Sb+Cs). Наиболее устойчивое соединение в системе (CsSb) является соединение в виде Cs 3Sb, которое в основном и синтезируется при образовании покрытий 8 и 9. Поскольку практически невозможно обеспечить 100% стехиометрию вышеуказанного соединения, то на практике его принято обозначать в виде соединения Cs3Sb. В состав этого соединения могут быть введены какие-либо дополнительные вещества, повышающие сорбционную емкость и термостойкость, что не противоречит сути настоящего изобретения.

Также известно, что соединение Cs3Sb обладает фотоэмиссионными свойствами, т.е. испускает электроны при его облучении фотонами, что несколько повышает интегральную чувствительность прибора. Однако это повышение мало, так как фотокатод на базе GaAs имеет малый коэффициент пропускания в области чувствительности соединения Cs3Sb. При необходимости фотоэмиссионные свойства соединения Cs3Sb можно существенно уменьшить путем термического прогрева.

Теперь рассмотрим работу ЭОП с учетом действия покрытий 8 и 9. Фотоэлектроны, выходящие из фотокатода 1, под действием поля ускоряются к входной поверхности МКП 2 и попадают на покрытие 8 в каналах 7 и на промежутки между каналами 7. Так как энергия фотоэлектронов мала, порядка 50-200 эВ, то фотоэлектроны не могут пробить насквозь покрытие 8 и вызвать газоотделение из мест соударений. Покрытие 8 нанесено в высоком вакууме и практически не содержит в своем объеме какие-либо газы, а поверхностные газы, попадающие на покрытие 8 из объема прибора, поглощаются этим покрытием 8. Таким образом, покрытие 8 в каналах 7 при ударении в него фотоэлектронов формирует в основном вторичные электроны в количестве, пропорциональном коэффициенту вторичной эмиссии покрытия 8. Как было указано выше, напряжение на МКП 2 снижается до 450 В, что позволяет уменьшить энергопотребление ЭОП примерно на 30-40% для нестробируемого источника питания или 15-20% для стробируемого источника питания. Далее вторичные электроны продвигаются под действием поля внутри каналов 7 к выходной поверхности МКП 2, увеличиваясь в количестве после каждого соударения с покрытием 8. Если вторичные электроны будут ударять в непокрытую часть канала 7, то со стенки канала 7 будут десорбироваться газы, которые будут поглощаться покрытием 8 в тех местах каналов 7, на которых нанесено покрытие 8. Так как покрытие 8 на стенках каналов 7, как указано выше, обычно получается неравномерным как по глубине, так и по толщине, то в каналах МКП 2 возникают поперечные электрические поля, которые воздействуют на положительные ионы и заставляют их попадать на покрытие 8 стенок каналов 7. Покрытие 8 сорбирует эти положительные ионы, вступая с ними в физико-химическое взаимодействие. Таким образом практически из каналов 7 при работе ЭОП не будет происходить газовыделение в объем прибора и, соответственно, на фотокатод 1 не будут осаждаться как нейтральные газы, так и положительные ионы. Вторичные электроны выходят из МКП 2 на значительно более высоком уровне плотности и под действием ускоряющего поля ускоряются к экрану 3. Вторичные электроны пробивают покрытие 9, нанесенное на экран 3, пленку окиси алюминия, пленку алюминия и ударяются в люминофорное покрытие экрана 3, которое преобразует энергию электронов в видимое изображение, подобное тому, которое было спроецировано на фотокатод 1 на значительно более высоком уровне яркости. Газы, выделяющиеся из пленки окиси алюминия, пленки алюминия, люминесцентного покрытия и стекла экрана 3, будут поглощаться покрытием 9, нанесенным на экран 3, и не будут десорбироваться в объем прибора и, следовательно, не будут осаждаться на фотокатод 1 в виде нейтральных газов и положительных ионов. Сумма площадей покрытий 8 и 9 может достигать 100 см2 и более, что, по-видимому, является рекордным достижением по соотношению площади газопоглотителя к объему прибора для всех типов электровакуумных приборов. Емкость газопоглощения будет зависеть как от площади, структуры поверхности покрытия, так и от его объема.

В заключении необходимо отметить, что использование столь эффективного газопоглотителя как Cs3Sb ни в коей мере не снижает требования к самому тщательному обезгаживанию как МКП, так и всех узлов ЭОП. Только использование всех мер по очистке всех узлов ЭОП от остаточных газов в совокупности с предлагаемыми решениями позволяет получить срок службы ЭОП более 15000 ч без использования ионно-барьерной пленки на входной поверхности МКП 2.

Из вышеприведенного описания настоящего изобретения должно быть понятно, что в качестве материалов газопоглотителя могут быть использованы любые вещества или их соединения, которые имеют высокую сорбционную способность и коэффициент вторичной эмиссии больше единицы, например соединение в виде KNa 2Sb/Cs3Sb, которое имеет более высокие характеристики, чем соединение Cs3Sb, использование которого описано в качестве примера, или соединение Cs 2Te, которое также обладает высокими поглощающими свойствами, что не противоречит сути изобретения, а является примером его конкретного воплощения. Также нужно понимать, что использование предлагаемого газопоглотителя в каналах МКП может быть использовано с любым типом фотокатода, например с мультищелочным, «солнечно-слепым» или любого другого типа, что позволяет улучшить технические характеристики таких приборов. Также необходимо понимать, что в соответствии с настоящим изобретением не обязательно использовать все предлагаемые технические решения, можно, например, использовать только предлагаемые газопоглотители в каналах МКП 2 и делать это для различных типов приборов, например ФЭУ или детекторах фотонов, что тоже позволит улучшить технические характеристики этих приборов, и это также не противоречит настоящему изобретению, а является примером его конкретного воплощения. Описание примера использования изобретения проведено применительно к ЭОП 3 поколения, так как предлагаемые решения в описанном примере позволяют получить наиболее высокие технические характеристики. Также предлагаемые решения могут быть использованы с фотокатодом из In Ga As или In Ga As P или при использовании для изготовления фотокатода других тройных или больших соединений. Во всех вышеперечисленных воплощениях технические характеристики приборов будут существенно улучшены за счет использования технических решений, предлагаемых настоящим изобретением, и будут его конкретным воплощением.

ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ

Электронно-оптический преобразователь (ЭОП), включающий заполненный цезием корпус, фотокатод, микроканальную пластину (МКП), приемник изображения, например люминесцентный экран, проволочный газопоглотитель и источник питания, отличающийся тем, что в состав ЭОП введены дополнительные индивидуальные газопоглотители в каналы МКП в виде нанесенного в вакууме покрытия на стенки каналов МКП со стороны входа, выхода МКП или с обеих сторон, из вещества или соединения двух и более веществ, обладающих высокой сорбционной способностью и коэффициентом вторичной эмиссии больше единицы, также дополнительные индивидуальные газопоглотители введены между каналами МКП на входной, выходной поверхностях МКП или с обеих сторон и на экране в виде нанесенного в вакууме покрытия из вещества или соединения двух и более веществ, обладающих высокой сорбционной способностью, причем величина напряжения на МКП составляет менее 0,8 величины напряжения на МКП, установленной универсальной кривой усиления МКП.

www.freepatent.ru

Электронно-оптический преобразователь

Изобретение относится к электронно-оптическим преобразователям (ЭОП), фотоэлектронным умножителям и детекторам фотонов, в которых используются микроканальная пластина и источник питания. ЭОП содержит микроканальную пластину (МКП), каждый канал которой обеспечен индивидуальным газопоглотителем в виде покрытия из вещества или соединения двух или более веществ, имеющих высокую сорбционную способность и коэффициент вторичной эмиссии больше единицы, например из соединения цезия с сурьмой или теллуром, преимущественно в виде устойчивых соединений Cs3Sb, Cs2Te, и обеспечен индивидуальными газопоглотителями входной, выходной поверхностей МКП между каналами и экрана в виде покрытия из вещества или соединения двух или более веществ, обладающих высокими сорбционными свойствами, с одновременным снижением энергопотребления ЭОП на 30-40% за счет уменьшения напряжения на МКП, которое не превышает 0,8 от величины напряжения на МКП, установленной универсальной кривой усиления МКП. Изобретение позволяет обеспечить долговечность данных приборов без использования ионно-барьерной пленки более 15000 ч. 3 ил.

 

Изобретение относится к электронно-оптическим преобразователям (ЭОП), фотоэлектронным умножителям (ФЭУ) и детекторам фотонов, в которых используются микроканальные пластины (МКП) и источники питания, и может быть использовано в любом из этих приборов.

Принцип действия ЭОП, детекторов фотонов и ФЭУ основан на испускании фотокатодом электронов в ответ на принятые фотоны, их усилении и преобразовании в видимую сцену (ЭОП) или в электрический сигнал (детекторы фотонов, ФЭУ). Принцип действия вышеуказанных приборов почти одинаков, поэтому подробно рассмотрим работу ЭОП 3 поколения, в котором предлагаемые технические решения дают наиболее высокие результаты.

Работа ЭОП основана на усилении яркости изображения. Основное усиление яркости изображения осуществляет МКП за счет умножения фотоэлектронов, испускаемых фотокатодом в ответ на полученные фотоны, и умножения вторичных электронов в каналах МКП. Вышедшие из каналов МКП вторичные электроны ускоряются под действием электрического поля и, попадая на приемник изображения ЭОП, например люминесцентный экран, повторяют спроецированную на фотокатод сцену, усиленную по яркости в несколько сотен раз.

В современных ЭОП 3 поколения обычно используется фотокатод на основе арсенида галия (GaAs), активированный окисью цезия (Cs:O). Данный фотокатод очень требователен к величине остаточного давления и легко подвержен отравлению, что приводит к падению чувствительности фотокатода и сокращению срока службы ЭОП. Современные технологии не позволяют полностью обезгазить узлы ЭОП и получить необходимую величину остаточного давления в корпусе ЭОП для обеспечения необходимого срока службы, поэтому в современных ЭОП 3 поколения используется защита фотокатода в виде ионно-барьерной пленки, нанесенной на входную поверхность МКП. При входе фотоэлектронов в МКП и соударении их со стенками каналов, а также при соударениях вторичных электронов со стенками каналов выделяются активные газы, которые могут превратиться в положительные ионы и под действием электрического поля бомбардировать фотокатод, также на фотокатод из-за его высокой сорбционной способности могут оседать нейтральные газы. Ионно-барьерная пленка, нанесенная на входную поверхность МКП, предотвращает выход из каналов МКП положительных ионов и нейтральных газов и тем самым сохраняет фотокатод, что увеличивает срок службы прибора. Однако использование ионно-барьерной пленки имеет и отрицательные стороны. Ее применение ухудшает такие характеристики ЭОП, как отношение сигнал - шум, разрешение, уровень темнового фона, что снижает качество изображения и уменьшает дальность действия прибора.

Вопросу исключения ионно-барьерной пленки уделяется очень много внимания, так как ЭОП без ионно-барьерной пленки имеет более высокие технические характеристики и обеспечивает увеличение дальности действия прибора. Известно, что в электровакуумных приборах при ионной бомбардировке, электронной бомбардировке и при нагреве происходит значительное газоотделение с деталей и узлов, подвергшихся данным воздействиям. В ЭОП при работе прибора имеет место электронная бомбардировка входной поверхности МКП между ее каналами, стенок каналов МКП и экрана ЭОП, с поверхностей которых десорбируются газы, находящиеся в приповерхностных слоях и в объеме данных узлов ЭОП. Основной причиной, не позволяющей исключить ионно-барьерную пленку, является принципиальная невозможность полностью обезгазить все узлы прибора и особенно объем МКП и экрана, поэтому можно лишь обеспечить обезгаживание приповерхностных слоев, которые затем восполняются из более глубинных слоев. Использование для изготовления МКП стекла с объемной проводимостью лишь на первый взгляд может принести положительные результаты. Действительно, при образовании положительного иона он за счет объемной проводимости стекла должен осесть на стенку канала, но он осядет на стенку, сместившись к входу МКП из-за воздействия поля внутри канала МКП, с образованием нейтральной газовой частицы. При ударении фотоэлектрона или вторичного электрона в эту нейтральную частицу она вновь десорбируется с поверхности и при преобразовании ее в положительный ион этот ион снова начнет двигаться к входной поверхности МКП внутри канала и вновь осядет на стенке за счет объемной проводимости стекла. Далее подобные превращения с передвижением в сторону фотокатода будут повторятся, пока положительный ион полностью не выйдет из микроканала МКП и под действием электрического поля не ударится в поверхность фотокатода. На нейтральные газы стекло с объемной проводимостью не влияет. Таким образом, при использовании для изготовления МКП стекла с объемной проводимостью не исключается бомбардировка фотокатода положительными ионами и оседание на фотокатод нейтральных газов и поэтому не решается проблема долговечности беспленочных ЭОП. В работе Буто (Boutot J.-P., Acta Electron, 14, 243, 1971), который провел обширные измерения скорости десорбции газа из МКП как в процессе обезгаживания, так и в процессе эксплуатации, показано, что длительное термическое обезгаживание при температуре между 300 и 520°С и электронная очистка позволяют уменьшить последующую десорбцию газов до столь низких величин, что они могут быть сорбированы соответствующим газопоглотителем, обеспечивающим требуемую долговечность ЭОП. Однако использование существующих газопоглотителей в виде Ti/Та проволоки и заполнение объема ЭОП цезием не обеспечивают требуемой долговечности ЭОП 3 поколения с использованием МКП без ионно-барьерной пленки.

Для подачи напряжений на фотокатод, МКП и экран используются источники питания, входящие в состав ЭОП. Если ранее использовались нестробируемые источники питания, то в последнее время все большее распространение получают стробируемые источники питания. Стробируемые источники питания ЭОП имеют значительные преимущества, так как обеспечивают высокое качество изображения в большом динамическом диапазоне входной освещенности. Кроме того, они обеспечивают защиту фотокатода от бомбардировки положительными ионами в тысячу и более раз при высоких освещенностях, когда длительность рабочего цикла в тысячу и более раз меньше полной длительности цикла, что увеличивает долговечность ЭОП. При низкой освещенности эффективность защиты фотокатода мала и составляет всего проценты или доли процентов, так как длительность рабочего цикла в этом режиме близка к полной длительности цикла, но так как газовыделение в этом режиме незначительное, то оно не приводит к существенному сокращению срока службы. Однако существующие источники питания ЭОП, как стробируемые, так и не стробируемые, имеют достаточно высокое энергопотребление, связанное с необходимостью подачи на МКП напряжения большой величины. Так, например, в соответствии с универсальной кривой усиления МКП коэффициент усиления, равный 300, при калибре 44, обеспечивается при напряжении на МКП, равном 1000 В. Учитывая, что сопротивление используемых в ЭОП МКП составляет порядка 100-200×106 Ом, то потребляемая МКП мощность составит 5-10×10-3 Вт. Мощность, потребляемая другими электродами ЭОП, не превышает 1×10-3 Вт. Из этого соотношения видно, что основным энергопотребителем в ЭОП является МКП.

Известен ЭОП, не содержащий ионно-барьерной пленки, с заявленной долговечностью 7500 ч (Патент США №6,437,491 от 20.08.2002 г). ЭОП содержит фотокатод, микроканальную пластину, приемник, например, люминесцентный экран и титано-танталовый проволочный газопоглотитель, которые помещены в корпус ЭОП, заполненный до определенного давления цезием.

Недостатком данного технического решения является недостаточная долговечность прибора, так как цезий не образует устойчивых соединений с внутрикорпусными элементами прибора и не обладает достаточной сорбционной способностью для обеспечения длительного срока службы порядка 15-20 тыс.ч, даже при совместной работе с титано-танталовым газопоглотителем.

Известен также ЭОП с заявленной долговечностью в 7500 ч, использующий стробируемый источник питания и не содержащий ионно-барьерной пленки, принятый за прототип (Патент США №6,320,180 от 20.11.2001 г). Данный ЭОП содержит фотокатод, МКП, приемник изображения, например, люминисцентный экран и титано-танталовый проволочный газопоглотитель, помещенные в корпус ЭОП, заполненный до определенного давления цезием. Стробируемый источник питания содержит два умножителя напряжения фотокатода, один из которых вырабатывает отрицательное напряжение, а второй - положительное напряжение, относительно входа МКП, умножитель МКП, обеспечивающий подачу дифференциального напряжения на вход и выход МКП, умножитель напряжения экрана.

Данный ЭОП имеет недостатки, заключающиеся в большом энергопотреблении и недостаточной долговечности, которая составляет порядка 7500 часов из-за низкой эффективности используемых в данном ЭОП газопоглотителей.

Задачей изобретения является увеличение срока службы ЭОП без ионно-барьерной пленки и снижение энергопотребления ЭОП.

Поставленная задача решается тем, что в известном ЭОП, содержащем заполненный цезием корпус, фотокатод, МКП, приемник изображения, например, люминесцентный экран, проволочный газопоглотитель и источник питания, в состав ЭОП введены дополнительные индивидуальные газопоглотители в каналы МКП в виде нанесенного в вакууме покрытия на стенки каналов МКП со стороны входа, выхода МКП или с обеих сторон, из вещества или соединения двух и более веществ, обладающих высокой сорбционной способностью и коэффициентом вторичной эмиссии больше единицы, также дополнительные индивидуальные газопоглотители введены между каналами МКП на входной, выходной поверхностях МКП или с обеих сторон и на экране в виде нанесенного в вакууме покрытия из вещества или соединения двух и более веществ, обладающих высокой сорбционной способностью, причем величина напряжения на МКП составляет менее 0,8 от величины напряжения на МКП, установленной универсальной кривой усиления МКП.

Предлагаемое решение, на наш взгляд, является новым и не следует явным образом из уровня техники, т.к. влияние совокупности отличительных признаков на технический результат из уровня техники не известен, что позволяет сделать вывод о соответствии предлагаемого решения критерию «изобретательский уровень».

На фиг.1 схематично показан разрез предлагаемого ЭОП.

На фиг.2 показаны графики универсальной кривой усиления МКП.

На фиг.3 схематично показан в увеличенном масштабе разрез ЭОП в соответствии с предлагаемым решением.

В соответствии с фиг.1 ЭОП содержит фотокатод 1, МКП 2, люминесцентный экран 3, корпус 4, проволочный газопоглотитель 5 и источник питания 6. Фотокатод 1 на поверхности, обращенной к входу МКП 2, имеет полупроводниковую структуру, в описываемом случае состоящую из соединения GaAs, активированную окисью цезия Cs:O. На электроды ЭОП поданы напряжения от источника питания 6. Обычно данные напряжения имеют следующие величины: напряжение между фотокатодом 1 и входной поверхностью МКП 2 составляет 800 В (при использовании на входной поверхности МКП 2 ионно-барьерной пленки), напряжение на МКП 2 обычно составляет 800-1000 В, напряжение экрана 3 обычно составляет от 4000 до 6000 В. Так как в соответствии с настоящим изобретением на входной поверхности МКП 2 не требуется защитной ионно-барьерной пленки, то величина напряжения между фотокатодом 1 и входной поверхностью МКП 2 может устанавливаться от 50 до 200 В. Напряжение на МКП 2 устанавливается примерно 450 В. При такой величине напряжения на МКП 2, усиление МКП 2 в соответствии с настоящим изобретением будет примерно соответствовать величине усиления, которое обеспечивает обычная МКП с напряжением, равным примерно 1000 В. График усиления обычной МКП приведен на универсальной кривой усиления МКП, фиг.2.

Теперь обратимся к схематическому изображению разреза ЭОП, представленному на фиг.3, и поясним, почему в предлагаемом изобретении не требуется использовать ионно-барьерную пленку на входной поверхности МКП 2. Фотоэлектроны, выходящие из фотокатода 1, в ответ на принятые фотоны, попадают в каналы 7, МКП 2. Каналы 7 имеют индивидуальные газопоглотители в виде покрытия 8 на стенках каналов 7. В качестве покрытия 8, как указано в формуле изобретения, должно быть использовано вещество или соединение из двух или более веществ, обладающих высокой сорбционной способностью и коэффициентом вторичной эмиссии больше единицы. Из практики фотоэлектронных приборов известно, что эффективными эмиттерами вторичных электронов является большинство типов фотокатодов. С точки зрения вторичной электронной эмиссии исследованы сурьмяно-цезиевые, висмутоцезиевые, теллуроцезиевые, двухщелочные, мультищелочные эмиттеры, а также эмиттеры на базе материалов с отрицательным электронным сродством.

Все данные эмиттеры по коэффициенту вторичной эмиссии значительно превосходят покрытие, которое используется в известных МКП и имеет коэффициент вторичной эмиссии порядка 1,5. Так, например, сурьмяно-цезиевый эмиттер имеет коэффициент вторичной эмиссии порядка 5÷6 при Ер=100 эВ, многощелочные - порядка 7÷8 при Ер=100 эВ и эмиттеры на базе материалов с отрицательным электронным сродством - порядка 10÷90.

Также известно, что высокими сорбционными свойствами обладают цезий, барий, цирконий и ряд других веществ и их соединений. Также при выборе покрытий необходимо учитывать проводящие свойства пленок, т.к. их нанесение на стенки каналов 7 приведет к изменению сопротивления, рабочего напряжения и других параметров МКП, как за счет проводимости пленок, так и за счет повышения эффективности соударений фотоэлектронов (первое соударение) и вторичных электронов с покрытием 8 на стенках каналов 7. Также необходимо учитывать фотоэмиссионные, термоэлектронные и другие свойства покрытия и их влияния на характеристики ЭОП. Так как в качестве покрытия 8 можно использовать достаточно большое количество различных соединений, то дальнейшее описание будет проведено применительно к использованию сурьмяно-цезиевого эмиттера в виде устойчивого соединения Cs3Sb, которое обладает высокой сорбционной способностью и большим коэффициентом вторичной эмиссии.

Покрытие 8 при использовании соединения Cs3Sb имеет коэффициент вторичной эмиссии, примерно равный 6, поэтому каждый фотоэлектрон в среднем образует, ориентировочно, шесть вторичных электронов. Высокая эффективность первого соударения и высокий коэффициент вторичной эмиссии позволяют снизить рабочее напряжение МКП 2 примерно с 1000 до 450 В при одинаковом коэффициенте усиления МКП 2. Это снижает энергию вторичных электронов при дальнейших соударениях со стенками каналов, что приводит к уменьшению газоотделения, кроме того, соединение Cs3Sb в качестве покрытия 8 стенок каналов 7 МКП 2 более чем на порядок эффективнее, чем наполнение корпуса ЭОП цезием, как предлагается в прототипе и других известных решениях. В случае наполнения корпуса ЭОП цезием можно создать только монослой, который не образует устойчивых соединений с веществами, находящимися на внутренних поверхностях корпуса ЭОП, и имеет в десятки раз меньшую сорбционную способность и эффективность действия, чем устойчивое соединение Cs3Sb на стенках каналов, причем газопоглотители установлены именно в местах газовыделения, что дополнительно увеличивает их эффективность. При соударении фотоэлектронов или вторичных электронов со стенками каналов 7 из них десорбируются газы, которые поглощаются покрытием 8. Для обеспечения оптимального газопоглощения покрытие 8 на стенках каналов 7 должно наноситься в высоком вакууме, желательно, лучше чем 1×10-7 Па, в этом случае электроны, ударяющиеся в покрытие 8, вообще могут не вызвать десорбцию газов, так как покрытие 8 «экранирует» стенки каналов 7, а само покрытие 8 практически вообще не содержит замурованных и растворенных газов. Для придания еще более высокой газопоглотительной способности покрытие 8 может быть подвержено термическому и электронному обезгаживанию.

При нанесении покрытия 8 в каналы 7 МКП 2 оно также попадает на промежутки между каналами 7 на входной поверхности МКП 2. При ударении фотоэлектронов в эти промежутки возникает большое количество вторичных электронов, но так как вторичные электроны имеют малую среднюю энергию, порядка 1,25 эВ, то это не приводит к увеличению ореола вокруг основного изображения. Исключение с входной поверхности МКП 2 ионно-барьерной пленки позволяет уменьшить величину напряжения между фотокатодом 1 и входной поверхностью МКП 2 с 800 до 50-200 В с одновременным уменьшением расстояния между фотокатодом 1 и входной поверхностью МКП 2 с 200-250 до 30-50 мкм, что уменьшает ореол и позволяет получить прибор с меньшим ореолом, чем в известных приборах, в которых используется ионно-барьерная пленка. Снижение рабочего напряжения на МКП и снижение напряжения на входном промежутке позволяет уменьшить энергопотребление ЭОП. Само же покрытие 8 на входной поверхности МКП 2 играет роль дополнительного газопоглотителя и эффективно поглощает газы в промежутке между фотокатодом 1 и входной поверхностью МКП 2. При необходимости на покрытие 8, расположенное на входной поверхности МКП 2, между каналами 7, можно нанести слой вещества, обладающего малым коэффициентом вторичной эмиссии, который нужно наносить под малым углом к входной поверхности МКП 2, так чтобы данное вещество не попадало в каналы 7 на покрытие 8.

Использование при изготовлении ЭОП технологии двойного сочленения, т.е. герметизацию фотокатода 1 с одной стороной корпуса ЭОП и герметизацию экрана 3 с другой стороной корпуса ЭОП, позволяет наносить покрытие 8 в каналы 7 МКП 2 со стороны выходной поверхности МКП 2 и также позволяет наносить покрытие 9 на люминесцентный экран 3. Покрытие 8, наносимое на стенки каналов 7 со стороны выходной поверхности МКП 2, должно иметь примерно такие же характеристики, что и покрытие, наносимое со стороны входной поверхности МКП 2. Отличие заключается лишь в том, что покрытие 8, нанесенное на выходной поверхности МКП 2, в промежутках между каналами 7, не подвергается электронной бомбардировке в процессе работы ЭОП. При необходимости на данное покрытие можно нанести дополнительные покрытия из других веществ или их соединений, что позволяет дополнительно улучшить характеристики ЭОП. Также для нанесения покрытия 8 со стороны выходной поверхности МПК 2 можно использовать другие типы покрытий, например, обладающие меньшим коэффициентом вторичной эмиссии, но большей сорбционной способностью.

Покрытие 9, наносимое на экран 3, должно, в основном, обладать высокими сорбционными свойствами для обеспечения поглощения газов, выходящих из экрана 3 при его электронной бомбардировке. Покрытие 9 также должно наноситься в условиях высокого вакуума и его также можно улучшить путем термического и электронного обезгаживания.

Теперь рассмотрим геометрию покрытий 8 и 9. Хотя геометрические размеры покрытий не имеют принципиального значения для реализации настоящего изобретения и улучшение параметров ЭОП будет обеспечено при использовании рекомендаций, известных из соответствующей технической литературы, необходима некоторая конкретизация из-за специфики использовании покрытий 8 и 9. Глубину покрытия 8 в каналах 7 МКП 2 необходимо выбирать с учетом проводимости наносимой пленки. При использовании соединения Cs3Sb глубина нанесения покрытия 8 в каналах 7 может составлять от нескольких единиц величины диаметра канала до нескольких десятков величины диаметра канала, причем без обеспечения специальных мер (расположение наносимого вещества относительно МКП с учетом угла наклона каналов, использование вращения и т.п.), глубина нанесения покрытия в канале будет неравномерной. Толщина покрытия 8 будет изменяться по глубине каналов 7 от нулевой величины до нескольких сотен или тысяч ангстрем. При использовании в качестве газопоглотителя в каналах 7 определенных типов покрытий 8, данные покрытия 8 могут наноситься по всей длине каналов 7. Толщина покрытия 9 на экране 3 должна выбираться с учетом уменьшения энергии электронов при прохождении покрытия 9 и может изменяться от нескольких сот до нескольких тысяч ангстрем. При нанесении покрытия 8 и 9 также желательно учитывать тот факт, что электроны могут рассеиваться, поэтому покрытие на МКП 2 и экране 3 целесообразно выполнять с некоторым запасом по площади. В явлении газопоглощения могут быть использованы также все другие поверхности ЭОП, например внутренние элементы корпуса ЭОП, на которые могут быть нанесены какие-либо типы покрытий, которые имеют высокие сорбционные свойства и которые не нарушают работу ЭОП.

Покрытие 9 на экране 3 действует несколько иначе, чем покрытие 8 на МКП 2. Дело заключается в том, что электроны, выходящие из МКП 2, пробивают покрытие 9 и попадают на люминесцентный экран 3, из которого будут адсорбироваться газы. В этом случае покрытие 9 будет поглощать выходящие из экрана 3 газы в основном поверхностью, которая непосредственно прилегает к экрану 3, а другая поверхность покрытия 9 будет эффективно поглощать газы, находящиеся в промежутке между выходной поверхностью МКП 2 и покрытием 9, нанесенным на экран 3. Покрытие 8, нанесенное на стенки каналов 7 и на входную поверхность МКП 2, расположенную между каналами, будет действовать следующим образом. Фотоэлектроны, испускаемые фотокатодом 1, и вторичные электроны, образующиеся в каналах 7 МКП 2, имеют значительно меньшую энергию, чем электроны, бомбардирующие экран 3, поэтому энергия этих электронов будет недостаточна, чтобы пройти сквозь покрытие 8. Поэтому покрытие 8 больше играет роль экранирующего покрытия, которое препятствует соударению электронов с непокрытыми поверхностями каналов 7, а так как покрытия 8 и 9 наносятся в условиях высокого вакуума, то газоотделение из вещества этих покрытий при их бомбардировке электронами будет очень мало (в разы и десятки раз меньше, чем из непокрытых стенок каналов 7 МКП 2), и малые количества газа будут поглощаться покрытием 8. Покрытия 8 и 9 имеют более сложный состав, чем указано выше. В соответствии с данными, известными из опубликованных работ, система (CsSb) может содержать 8 видов соединений: Cs3Sb, Cs3Sb2, Cs2Sb, Cs3Sb2, Cs5Sb4, CsSb, CsSb2 и Cs3Sb7. При синтезе Cs3Sb, данная система проходит через образование всех соединений от Cs3Sb7 до Cs3Sb поэтому в соединении Cs3Sb могут присутствовать какие-то другие соединения данной системы. При избытке цезия наблюдается эвтектическое равновесие в виде соединения (Cs3Sb+Cs). Наиболее устойчивое соединение в системе (CsSb) является соединение в виде Cs3Sb, которое в основном и синтезируется при образовании покрытий 8 и 9. Поскольку практически невозможно обеспечить 100% стехиометрию вышеуказанного соединения, то на практике его принято обозначать в виде соединения Cs3Sb. В состав этого соединения могут быть введены какие-либо дополнительные вещества, повышающие сорбционную емкость и термостойкость, что не противоречит сути настоящего изобретения.

Также известно, что соединение Cs3Sb обладает фотоэмиссионными свойствами, т.е. испускает электроны при его облучении фотонами, что несколько повышает интегральную чувствительность прибора. Однако это повышение мало, так как фотокатод на базе GaAs имеет малый коэффициент пропускания в области чувствительности соединения Cs3Sb. При необходимости фотоэмиссионные свойства соединения Cs3Sb можно существенно уменьшить путем термического прогрева.

Теперь рассмотрим работу ЭОП с учетом действия покрытий 8 и 9. Фотоэлектроны, выходящие из фотокатода 1, под действием поля ускоряются к входной поверхности МКП 2 и попадают на покрытие 8 в каналах 7 и на промежутки между каналами 7. Так как энергия фотоэлектронов мала, порядка 50-200 эВ, то фотоэлектроны не могут пробить насквозь покрытие 8 и вызвать газоотделение из мест соударений. Покрытие 8 нанесено в высоком вакууме и практически не содержит в своем объеме какие-либо газы, а поверхностные газы, попадающие на покрытие 8 из объема прибора, поглощаются этим покрытием 8. Таким образом, покрытие 8 в каналах 7 при ударении в него фотоэлектронов формирует в основном вторичные электроны в количестве, пропорциональном коэффициенту вторичной эмиссии покрытия 8. Как было указано выше, напряжение на МКП 2 снижается до 450 В, что позволяет уменьшить энергопотребление ЭОП примерно на 30-40% для нестробируемого источника питания или 15-20% для стробируемого источника питания. Далее вторичные электроны продвигаются под действием поля внутри каналов 7 к выходной поверхности МКП 2, увеличиваясь в количестве после каждого соударения с покрытием 8. Если вторичные электроны будут ударять в непокрытую часть канала 7, то со стенки канала 7 будут десорбироваться газы, которые будут поглощаться покрытием 8 в тех местах каналов 7, на которых нанесено покрытие 8. Так как покрытие 8 на стенках каналов 7, как указано выше, обычно получается неравномерным как по глубине, так и по толщине, то в каналах МКП 2 возникают поперечные электрические поля, которые воздействуют на положительные ионы и заставляют их попадать на покрытие 8 стенок каналов 7. Покрытие 8 сорбирует эти положительные ионы, вступая с ними в физико-химическое взаимодействие. Таким образом практически из каналов 7 при работе ЭОП не будет происходить газовыделение в объем прибора и, соответственно, на фотокатод 1 не будут осаждаться как нейтральные газы, так и положительные ионы. Вторичные электроны выходят из МКП 2 на значительно более высоком уровне плотности и под действием ускоряющего поля ускоряются к экрану 3. Вторичные электроны пробивают покрытие 9, нанесенное на экран 3, пленку окиси алюминия, пленку алюминия и ударяются в люминофорное покрытие экрана 3, которое преобразует энергию электронов в видимое изображение, подобное тому, которое было спроецировано на фотокатод 1 на значительно более высоком уровне яркости. Газы, выделяющиеся из пленки окиси алюминия, пленки алюминия, люминесцентного покрытия и стекла экрана 3, будут поглощаться покрытием 9, нанесенным на экран 3, и не будут десорбироваться в объем прибора и, следовательно, не будут осаждаться на фотокатод 1 в виде нейтральных газов и положительных ионов. Сумма площадей покрытий 8 и 9 может достигать 100 см2 и более, что, по-видимому, является рекордным достижением по соотношению площади газопоглотителя к объему прибора для всех типов электровакуумных приборов. Емкость газопоглощения будет зависеть как от площади, структуры поверхности покрытия, так и от его объема.

В заключении необходимо отметить, что использование столь эффективного газопоглотителя как Cs3Sb ни в коей мере не снижает требования к самому тщательному обезгаживанию как МКП, так и всех узлов ЭОП. Только использование всех мер по очистке всех узлов ЭОП от остаточных газов в совокупности с предлагаемыми решениями позволяет получить срок службы ЭОП более 15000 ч без использования ионно-барьерной пленки на входной поверхности МКП 2.

Из вышеприведенного описания настоящего изобретения должно быть понятно, что в качестве материалов газопоглотителя могут быть использованы любые вещества или их соединения, которые имеют высокую сорбционную способность и коэффициент вторичной эмиссии больше единицы, например соединение в виде KNa2Sb/Cs3Sb, которое имеет более высокие характеристики, чем соединение Cs3Sb, использование которого описано в качестве примера, или соединение Cs2Te, которое также обладает высокими поглощающими свойствами, что не противоречит сути изобретения, а является примером его конкретного воплощения. Также нужно понимать, что использование предлагаемого газопоглотителя в каналах МКП может быть использовано с любым типом фотокатода, например с мультищелочным, «солнечно-слепым» или любого другого типа, что позволяет улучшить технические характеристики таких приборов. Также необходимо понимать, что в соответствии с настоящим изобретением не обязательно использовать все предлагаемые технические решения, можно, например, использовать только предлагаемые газопоглотители в каналах МКП 2 и делать это для различных типов приборов, например ФЭУ или детекторах фотонов, что тоже позволит улучшить технические характеристики этих приборов, и это также не противоречит настоящему изобретению, а является примером его конкретного воплощения. Описание примера использования изобретения проведено применительно к ЭОП 3 поколения, так как предлагаемые решения в описанном примере позволяют получить наиболее высокие технические характеристики. Также предлагаемые решения могут быть использованы с фотокатодом из In Ga As или In Ga As P или при использовании для изготовления фотокатода других тройных или больших соединений. Во всех вышеперечисленных воплощениях технические характеристики приборов будут существенно улучшены за счет использования технических решений, предлагаемых настоящим изобретением, и будут его конкретным воплощением.

Электронно-оптический преобразователь (ЭОП), включающий заполненный цезием корпус, фотокатод, микроканальную пластину (МКП), приемник изображения, например люминесцентный экран, проволочный газопоглотитель и источник питания, отличающийся тем, что в состав ЭОП введены дополнительные индивидуальные газопоглотители в каналы МКП в виде нанесенного в вакууме покрытия на стенки каналов МКП со стороны входа, выхода МКП или с обеих сторон, из вещества или соединения двух и более веществ, обладающих высокой сорбционной способностью и коэффициентом вторичной эмиссии больше единицы, также дополнительные индивидуальные газопоглотители введены между каналами МКП на входной, выходной поверхностях МКП или с обеих сторон и на экране в виде нанесенного в вакууме покрытия из вещества или соединения двух и более веществ, обладающих высокой сорбционной способностью, причем величина напряжения на МКП составляет менее 0,8 величины напряжения на МКП, установленной универсальной кривой усиления МКП.

www.findpatent.ru

Лабораторная работа № 4 изучение принципа действия одно – и трёхкамерных электронно-оптических преобразователей (эоп)

Целью работы изучить устройство, принцип действия и характеристики одно – и трёхкамерных электронно – оптических преобразователей.

Устройство, принцип действия и назначение эоп.

ЭОП - вакуумный фотоэлектронный прибор, предназначенный для преобразования невидимого глазом изображения (в инфракрасных, ультра­фиолетовых или рентгеновских лучах) в видимое, либо для увеличения яркости слабо видимого изображения. В основе действия ЭОП лежит преобразование оптического или рентгеновского изображения в электронное с помощью фотокатода, а затем в видимое с помощью люминесцентного экрана [1,2].

Основными характеристиками ЭОП являются: интегральная чувствительность - это отношение фототока к преобразуемому потоку излучения, оно зависит от типа ЭОП и используемого в нем фотокатода и составляет мкА/лк; разрешающая способность находится в пределах 5-70 лин/мм; коэффициент преобразования - это отношение выходного потока к входному, оно находится в диапазоне; яркость темнового фона - это яркость свечения экрана при отсутствии освещения фотокатода. Яркость темнового фона ограничивает пороговый поток, регистрируемый ЭОП; световая отдача экрана - это отношение светового потока, излучаемого экраном в полую сферу, к мощности облучающего экран электронного потока.

ЭОП широко применяют в приборах визуального наблюдения при плохой видимости и в условиях естественной ночной освещенности порядка лк. Приборы с ЭОП также широко используют в приборах наблюдения с подсветкой ИК-прожекторами и импульсными лазерами. Наиболее широкое применение находят трехэлектродные однокамерные и трехкамерные ЭОП, поэтому ниже рассмотрим их устройство.

Описание устройства однокамерных эоп.

ЭОП представляет собой вакуумированную стеклянную колбу 5(рис. 1.а).

На одну стенку колбы 5 нанесен полупрозрачный катод 4, на противоположную - флюоресцирующий экран 7. Между фотокатодом и экраном приложено постоянное напряжение 10-15 кВ. Объектив 2 строит на фотокатоде 4 невидимое (или видимое) изображение 3 рассматриваемого предмета 1. Под воздействием изображения возникает эмиссия фотоэлектронов, число которых в любой точке пропорционально имеющейся там освещенности. В момент выхода из фотокатода фотоэлектроны вылетают по различным направлениям.

Рис. 1. Схематическое устройство ЭОП (а)

и ЭОП с трёхэлектродной фокусирующей системой (б):

1 - изображение;

2 - фотокатод;

3 - электронный пучок;

4 - баллон из стекла;

5 - электрод;

6 - держатель;

7 - анод;

8 - экран;

9 - электронное изображение;

10 - люминесцирующий слой;

11 - алюминиевая фольга;

12 - стеклянная стенка;

13 - контактирующее покрытие.

Ускоряющее электрическое поле стягивает фотоэлектроны в узкий пучок, ускоряет и направляет к экрану 7 в точку, лежащую против точки выхода. На экране 7 электронное изображение 6 преобразуется в видимое, благодаря его флюоресценции из-за бомбардировки экрана фотоэлектронами. С экрана изображение может передаваться либо на сетчатку глаза (непосредственно или с помощью окуляра), либо на другое устройство. Такой ЭОП дает линейное увеличение Гэ =1х (отношение линейного размера изображения на экране к линейному размеру на катоде), так как фокусировка электронных пучков осуществляется только за счет действия однородного электростатического поля.

Разрешающая способность такого ЭОП составляет 5-6 пар линий на миллиметр, так как электрическое поле собирает все вылетевшие из одной точки фотокатода фотоэлектроны не в одну точку на экране, а в некоторый кружок (кружок рассеяния) из-за различных направлений начальных скоростей электронов. Диаметр кружка рассеяния определяет разрешающую способность ЭОП. Для повышения разрешающей способности ЭОП электронные пучки фокусируют электростатическим или магнитным полем. Наибольшее распространение получили ЭОП с электростатической фокусировкой. На рис. 1.б. показана конструкция ЭОП с трехэлектродной электростатической фокусирующей системой со следующими параметрами: диаметр фотокатода 80 мм, длина 160 мм, напряжение 18 кВ, диаметр экрана 50 мм, разрешающая способность 30 пар линий на миллиметр. Изменяя потенциал третьего среднего электрода, можно изменять разрешающую способность ЭОП в различных кольцевых зонах экрана за счет перефокусировки электронных пучков при настройке.

Питание однокамерных ЭОП осуществляется от высоковольтных источников напряжения, которые преобразуют постоянное напряжение батареи (2.5 - 5.5 В) в высоковольтное напряжение. На рис. 2 приведена принципиальная схема такого источника напряжения. Его питание осуществляется от низковольтной батареи напряжением 2.5 В. Для преобразования постоянного напряжения в переменное используется блокинг-генератор с положительной обратной связью, он выполнен на транзисторе Т1, трансформаторе Тр1 и резисторах R1, R2, R3. Делитель напряжения R1 - R2 обеспечивает постоянное смещение базы транзистора Т1. Резистор R3 ограничивает ток базы.

Рис. 2. Электрическая схема источника питания однокамерного ЭОП.

В момент включения ток батареи проходит через транзистор, открытый за счет смещения на базе и обмотку W2 , вызывая нарастание магнитного потока в трансформаторе Тр1. При этом в обмотке W1 наводится ЭДС обратной связи, приложенная минусом к базе триода. Это вызывает нарастание тока через обмотку W2 и дальнейшее увеличение ЭДС обратной связи. Этот процесс нарастает лавинообразно до тех пор, пока не наступит режим насыщения и прекратиться нарастание тока. В этом режиме прекратится и нарастание магнитного потока. Следовательно, исчезнет ЭДС обратной связи, что приведет к уменьшению тока в обмотке W2. Это, в свою очередь, вызовет магнитный поток и ЭДС обратной связи, но теперь приложенную к базе плюсом. Когда значение ЭДС превышает напряжение смещения базы, транзистор закроется, и ток в обмотке W2 прекратится. Следовательно, исчезнет и ЭДС обратной связи. Наступил исходный режим, после чего процесс повторяется. В результате в обмотке W2 пульсирует напряжение, которое трансформируется и наводит в обмотке W3 повышенное переменное напряжение. Оно выпрямляется диодом Д1 и заряжает конденсатор С1. Как только напряжение конденсатора С1 достигнет 400-600 В, наступает пробой разрядника Р1 и через первичную обмотку W4 трансформатора Тр2 пройдет импульс тока. Во вторичной обмотке W5 трансформатора Тр2 наводится импульсное напряжение 10-12кВ, которое выпрямляется и увеличивается в схеме умножения, состоящей из Д2, Д3, С2, С3. Предположим, что в некоторый момент в обмотке W5 действует напряжение минусом к конденсатору С2. Тогда конденсатор С2 зарядится через диод Д2 (полярность напряжения на С2 обозначена на рис. 2). Когда напряжение на обмотке W5 сменит полярность, конденсатор СЗ будет заряжаться через диод ДЗ от суммарного напряжения на обмотке W5 и конденсатора С2 (они в этот момент включены последовательно). В результате напряжение на конденсаторе СЗ увеличится и достигнет примерно 18 кВ.

studfiles.net

Электронно-оптический преобразователь 7В

Параметры:

Состояние : б/у

Техническое состояние : неисправное

Как новый. Краска немного осыпалась. Работоспособность неизвестна, поэтому ставлю "Неисправно"

Тип сделки:

Предоплата

Способы оплаты:

Стандартный банковский перевод

Онлайн-перевод

Наличными при встрече

Доставка:

Новая почта по городу: 35 грн. по стране: 35 грн.

Пользователь Цена дата
cli***f (0) 410 грн. 25-10-2017 16:04:12
cli***0 (85) 400 грн. 20-10-2017 14:46:09
swe***0 (454) 110 грн. 25-10-2017 14:57:39

newauction.com.ua

Приборы ночного видения. Общая информация

Приборы ночного видения или ПНВ — это приборы, работающие на общем принципе многократного усиления света и яркости видимого и близкого инфракрасного диапазонов спектра излучений. ПНВ фактически дублируют свои «дневные» аналоги по устройству, обладая объективом, центральной трубкой и окуляром, но есть принципиальная разница. В центральной трубке находится «сердце» любого ПНВ — электронно-оптический преобразователь. Именно он отвечает за преобразование фотонов в электроны и далее в видимое человеку изображение. Принцип работы заключается в следующем: отраженный от объекта наблюдения свет через объектив создает изображение на входе (катоде) ЭОП, которое способом усиливается, увеличивая яркость, контрастность, четкость и проецируется в желто-зеленом или белом свечении на выходном экране электронно-оптического преобразователя, а затем передается посредством окуляра на глаз наблюдателя.Существует несколько типов ПНВ: Прицелы, Бинокли, Монокуляры и Очки. Все они преследуют различные цели и применяются в различных ситуациях, но одно их объединяет — наличие ЭОП. Как уже было отмечено ранее, от его эффективности зависит качество полученного изображения и эффективность прибора в целом. Эффективность ПНВ определяется технически, с помощью поколений. Выделяют 3 основных поколения( I, II, III) и 2 промежуточных (I+ и II+). Часто приводятся более обширные градации поколений, но по сути, это скорее служит рекламным целям, нежели является реальным отражением серьезных отличий. Приведем общую характеристику этих поколений.

Электронно-оптический преобразователь Поколения I:

ЭОП этого поколения имеют стеклянную вакуумную колбу с чувствительностью фотокатода 120—250 мА/лм. Усиление света составляет примерно120—900, разрешение в центре 25—35 штр/мм.

Отличительная особенность данного типа ЭОП в том, что четкое изображение доступно только в центре, с искажениями и меньшим разрешением по краям. Допустимо большое количество точек как по краям, так и в центре. Стеклянный ЭОП не способен противостоять сильной отдаче, поэтому прицелы с этими преобразователями имеют ограничения по мощности боеприпаса оружия, на котором он будет устанавливаться. Еще одной особенностью является то, что если в поле зрения попадают яркие источники света, например, фонари, светящиеся окна или, тем более, дневной свет - происходит засветка всего изображения, что препятствует и даже полностью исключает возможность наблюдения, приводя прибор в негодность. Сейчас это самые доступные по цене приборы на рынке, однако покупая их Вы рискуете не получить желаемого результата в качестве получаемого изображения.

Электронно-оптический преобразователь Поколения I+:

ЭОП этого поколения имеют уже метало-керамический преобразователь с чувствительностью фотокатода 200 -300 мА/лм. Усиление света доведено до 1200 и более, разрешение по всему изображению доходит до 35-45 штр/мм.

Отличительной особенностью данного типа ЭОП является четкое изображение не только в центре, но по всему изображению. Т.к. материал преобразователя более не стекло, он не так чувствителен к ударным нагрузка и позволяет применять прицел 1+ поколения практически на любом оружии. Усиление света уже является достаточным для применения прибора в сложных условиях освещения, но если освещенность среды не высока, то картинка все же оставляет желать лучшего. Как правило черные точки отсутствуют, либо присутствуют в небольшом количестве. В настоящее время, приборы на базе этого ЭОП и есть то самое заветное цена-качество.

Электронно-оптический преобразователь Поколения II:

ЭОП этого поколения имеют метало-керамический преобразователь с чувствительностью фотокатода 240- 400 мА/лм, но, как правило, не менее 350. Усиление света составляет 20000-40000, разрешение 32-56 штр/мм, в среднем около 50.

Отличительной особенностью данного ЭОП является повышенный ресурс — до 3000 часов работы и более совершенное устройство с микроканальной пластиной. За счет этой пластины и было достигнуто такое серьезное усиление света. Прицелы на этом преобразователе так же, как и приборы 1+ не имеют особенных ограничений по отдаче. Серьезное усиление света позволяет использовать прибор в условиях отсутствия источников освещения. Сейчас прицелы этого поколения не так дороги как раньше, поэтому если Вы хотите получить серьезный прибор за относительно небольшие деньги.

Электронно-оптический преобразователь Поколения II+:

ЭОП этого поколения имеют метало-керамический преобразователь с чувствительностью фотокатода 240- 400 мА/лм, но, как правило, не менее 350. Усиление света составляет 25000-50000, разрешение 38-70 штр/мм.

По сути эти ЭОП являются производными от поколения 2, их отличает более тонкая микроканальная пластина, в которой деление электронов происходит более интенсивно, за счет чего были улучшены некоторые возможности преобразователя и снижены его массо-габаритные характеристики. Приборы поколения 2+ практически полностью заменили поколения 2 и сейчас встречаются в основном только они. В этих приборах еще лучше обстоит дело с применением в условиях отсутствия источников света, возможно использование даже без ИК-подсветки. Сейчас прицелы этого поколения не так дороги как раньше, поэтому если Вы хотите получить серьезный прибор за относительно небольшие деньги.

Электронно-оптический преобразователь Поколения III:

ЭОП поколения 3 построены на основе полупроводникового материала — арсенида галия. Чувствительность фотокатода достигает 900-1600 мА/лм. Усиление света достигает 60000-100000 раз, разрешение доведено до 50-78 штр/мм.

Отличительной особенностью являются улучшение всех характеристик ЭОП, а так же продление ресурса до 10000 часов работы, что более, чем в 3 раза превышает такой показатель у 2/2+ поколения. Приборы на базе ЭОП поколения 3 отлично работают в условиях предельно низкой освещенности. Картинка четка, яркая и контрастная. Не критичен к отдаче оружия. Единственный недостаток-отсутствие защиты от боковых засветок, поэтому использовать эти приборы в городских условиях нужно осторожно. Сегодня приборы на этом ЭОП являются самыми дорогими, но если Вы обратите на них внимание — получите характеристики, которыми пользуются военные и силы специального назначения.

Цифровые ПНВ

Ну и в заключении следует рассказать, что существуют приборы нового поколения, производство которых более технологично, а эффективность не сильно хуже, чем у стандартных ПНВ. Это цифровые ПНВ, в основе которых применяются не ЭОП, а ПЗС( прибор с зарядовой связью) матрицы. Они имеют отличные характеристики по усилению света, до 60000 раз, куда более дешевы в производстве, нежели ЭОП, не боятся засветок и могут быть использованы в дневное время суток без каких либо ограничений. Так же они имеют ряд преимуществ, которыми обладают все современные цифровые приборы, а именно: возможность записи изображения, хранение информации и возможность их передачи, а так же различный функционал, который легко программировать под нужды пользователей, например встроенные электронные часы, различная выводимая информация на дисплее и многое другое. Способны выдержать серьезную отдачу и сложные метеоусловия. Недостатком является необходимость в большом кол-ве элементов питания и, на больших дистанциях, мощных ИК-подсветках, чувствительных в инфракрасном диапазоне спектра матрицы. Так или иначе, сегодня приборы, построенные на ПЗС матрицах набирают обороты, цены на них даже ниже, чем на ПНВ с ЭОП похожих характеристик.

Copyright © 2013 Сергей Соколов. При использовании статьи обязательно ссылаться на 50bmg.ru

50bmg.ru

 

Удароустойчивый электронно-оптический преобразователь (ЭОП) используется в приборах ночного видения, которые подвергаются значительным механическим нагрузкам, прежде всего, в ночных прицелах. ЭОП содержит цилиндрический тонкостенный пластмассовый кожух (1) с центральным отверстием на его торцевой стенке (7). В кожухе (1) размещены вакуумная трубка (2) с фотокатодом (12), микроканальной пластиной (МКП) (13) и экраном (14) и высоковольтный источник питания (ВИЛ) (5). Торцевая стенка (7) имеет отбортовку (8) на внешней стороне торцевой стенки (7) по контуру боковой стенки (9), и отбортовку (10) на внутренней стороне торцевой стенки (7) по контуру центрального отверстия. Центральная часть торцевой стенки (7) выгнута наружу уплотняющим кольцом (11) и находится в напряженном состоянии, играет роль пружины и возвращает вакуумную трубку (2) на место после удара. Пространство между кожухом (1) и уплотняющим кольцом (11), вакуумной трубкой (2) и ВИП (5) заполнено полимерным материалом (6). Вакуумная трубка (2) при ударе от выстрела упирается в центральную часть торцевой стенки (7) через уплотняющее кольцо (11) и слой полимерного материала (6), которые амортизируют и значительно ослабляют энергию удара, сохраняя МКП (13) от вибрации и разрушения. Технический результат - повышение удароустойчивости ЭОП. 2 з.п. ф-лы, 2 ил.

Полезная модель относится к области электронной техники, а именно, к малогабаритным электронно-оптическим преобразователям (ЭОП), предназначенным для применения в приборах ночного видения, которые подвергаются значительным механическим нагрузкам, прежде всего, в ночных прицелах.

Для достижения высокой разрешающей способности в ЭОП уменьшают диаметр каналов микроканальной пластины (МКП) и расстояния от фотокатода до МКП и от МКП до экрана. Уменьшение диаметра каналов приводит к уменьшению толщины МКП. В процессе эксплуатации в составе ночных или дневно-ночных прицелов на ЭОП воздействуют большие механические нагрузки. Во время выстрела из тяжелого оружия с установленным на нем ночным прицелом тонкая МКП не выдерживает значительных механических нагрузок и может разрушиться. С другой стороны, во время выстрела тонкая МКП имеет значительную амплитуду вибрации, в результате чего расстояние между МКП и экраном в какой-то момент становится слишком малым и достаточным для локального увеличения напряженности поля, возникновения необратимых пробоев промежутка МКП-экран и появления светящихся автоэмиссионных точек. ЭОП, а вместе с ним ночной прицел при этом выходят из строя.

Известны электронно-оптические преобразователи, например, изготавливаемые ОАО «Катод», в частности, ЭПМ 102Г САГР 6349-010-99ТУ. Указанный ЭОП имеет тонкостенный пластмассовый кожух цилиндрической формы с плоской торцевой стенкой, в котором размещены вакуумная трубка с фотокатодом, МКП и экраном и высоковольтный источник питания. ЭОП такой конструкции имеет недостаточную удароустойчивость, что ограничивает его применение в прицелах для стрелкового оружия.

Известна конструкция фотоэлектронных умножителей (ФЭУ) и ЭОП, в которой для защиты МКП от чрезмерных механических нагрузок используется каскадная схема расположения МКП, когда несколько МКП прижимаются одна к другой (Патент США 5,510,673 от 23.04.1996 г.).

Эта конструкция также имеет недостаточную удароустойчивость. Кроме того, необходимо удвоенное высокое напряжение для последовательной схемы питания МКП. При этом имеет место неизбежное ухудшение равномерности яркости и качества изображения по экрану в связи с неточным совпадением каналов одной пластины с другой, поэтому эта конструкция применяется главным образом в ФЭУ.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому - прототипом - является ЭОП, содержащий цилиндрический тонкостенный пластмассовый кожух с центральным отверстием на его торцевой стенке, в котором соосно ему установлены высоковольтный источник питания и вакуумная трубка с входным и выходным оптическими окнами, содержащая фотокатод, МКП и экран, причем, вакуумная трубка установлена входным оптическим окном со стороны центрального отверстия, а пространство между боковыми стенками кожуха и вакуумной трубкой а также высоковольтным источником питания заполнено герметизирующим резиноподобным составом (Патент США 4,924,080 от 08.05.1990 г.)

В данном ЭОП торцевая стенка кожуха выполнена плоской. Кожух имеет металлизированное покрытие для защиты ЭОП от электромагнитных полей, однако такое покрытие не решает задачу повышения удароустойчивости. Герметизирующий резиноподобный состав со стороны боковых стенок кожуха защищает элементы ЭОПа от влаги, однако не является амортизатором, снижающим нагрузки на вакуумную трубку. Данный ЭОП не способен полностью сохранять свою работоспособность во включенном состоянии при ударах.

Недостатком указанного ЭОП, как и других известных ЭОП, обладающих высокой разрешающей способностью и имеющих поэтому в вакуумных трубках малые межэлектродные расстояния и тонкие МКП, является недостаточная удароустойчивость. Это ограничивает его применение в ночных прицелах.

Проблема снижения механических нагрузок на вакуумную трубку отчасти решается изготовителями ночных прицелов, которые устанавливают амортизирующие пружинящие кольца и прокладки перед передней торцевой стенкой ЭОП, и вынуждены при этом подбирать оптимальное усилие прижатия прокладок к ЭОП. С одной стороны, слабое прижатие прокладок приводит к осевому перемещению входного оптического окна ЭОП к объективу прицела во время удара, нарушению оптимальной фокусировки и уводу изображения, с другой стороны слишком сильное прижатие к центральной части ЭОП не обеспечивает амортизации вакуумной трубки и приводит к выходу ее из строя. Кроме того, подобранное оптимальное усилие прижатия может ухудшаться при температурных воздействиях и в течение времени эксплуатации за счет потери материалами амортизирующих свойств.

Задачей полезной модели является повышение удароустойчивости ЭОП.

Поставленная задача решается путем создания конструкции ЭОП, способной амортизировать удары и позволяющей снизить механические нагрузки на вакуумную трубку ЭОП. Поставленная задача решается тем, что в известном ЭОП, содержащем цилиндрический тонкостенный пластмассовый кожух с центральным отверстием на его торцевой стенке, в котором соосно ему установлены высоковольтный источник питания и вакуумная трубка с входным и выходным оптическими окнами, содержащая фотокатод, МКП и экран, причем, вакуумная трубка установлена входным оптическим окном со стороны центрального отверстия, а пространство между боковыми стенками кожуха, вакуумной трубкой заполнено герметизирующим резиноподобным составом, выполнено следующее: торцевая стенка кожуха выполнена с двумя отбортовками, первая из которых выполнена на внешней стороне торцевой стенки по контуру боковой стенки кожуха, а вторая - на внутренней стороне торцевой стенки по контуру центрального отверстия; торцевая стенка кожуха вокруг центрального отверстия подпружинена и выгнута наружу посредством уплотняющего кольца, установленного между ней и входным оптическим окном вакуумной трубки; пространство между торцевой стенкой кожуха и уплотняющим кольцом, вакуумной трубкой и высоковольтным источником питания заполнено герметизирующим резиноподобным составом.

В частных случаях реализации отбортовки могут быть выполнены в кольцевой, коронообразной форме, или иметь форму нескольких выступов одинаковой высоты или иную форму. В качестве герметизирующего резино-подобного состава могут быть использованы полиуретановый герметик, кремнийорганический компаунд, или иные резиноподобные полимерные материалы (составы), например, смесь касторового масла и изомера толуилен-диизоцианата.

На чертежах приведены примеры конкретного выполнения ЭОП.

На фиг.1 представлен ЭОП, в котором входное окно выполнено в виде толстого стеклянного диска. На фиг.2 представлен ЭОП, в котором входное окно выполнено в виде металло-стеклянного узла.

Цифрами обозначены: 1 - кожух, 2 - вакуумная трубка, 3, 4 - оптическое окно, 5 - высоковольтный источник питания, 6 - полимерный материал, 7 - торцевая стенка, 8 и 10 - отбортовка, 9 - боковая стенка, 11 - уплотняющее кольцо, 12 - фотокатод, 13 - МКП, 14 - экран, 15 - задняя крышка.

ЭОП содержит цилиндрический тонкостенный пластмассовый кожух 1 с центральным отверстием на его торцевой стенке 7, в котором соосно с ним установлены вакуумная трубка 2 и высоковольтный источник питания 5, размещенный вокруг вакуумной трубки 2. Вакуумная трубка 2 имеет входное оптическое окно 3 со стороны центрального отверстия на торцевой стенке 7, выходное оптическое окно 4 и содержит фотокатод 12, МКП 13 и экран 14. Торцевая стенка 7 кожуха 1 выполнена с двумя отбортовками. Первая отбортовка 8 выполнена на внешней стороне торцевой стенки 7 по контуру боковой стенки 9 кожуха 1. Вторая отбортовка 10 выполнена на внутренней стороне торцевой стенки 7 по контуру центрального отверстия. Отбортовки имеют кольцевую форму.

Между торцевой стенкой 7 и входным оптическим окном 3 установлено уплотняющее кольцо 11 таким образом, что центральная часть торцевой стенки 7 кожуха 1 выгнута наружу и находится в напряженном состоянии.

Входное оптическое окно 3 может быть выполнено в виде наиболее широко применяемого толстого стеклянного диска (фиг.1), или может быть выполнено с применением волоконно-оптического элемента вместо стеклянного диска, или иметь конструкцию металло-стеклянного узла с тонким стеклянным диском (фиг.2).

Пространство между кожухом 1 (его торцевой 7 и боковой стенками 9) и уплотняющим кольцом 11, вакуумной трубкой 2 и высоковольтным источником питания 5 заполнено герметизирующим резиноподобным составом - полимерным материалом 6.

Фотокатод 12 выполнен в виде фотоэмиссионного покрытия (мульти-щелочного 2-го поколения или на основе арсенида галлия 3-го поколения), нанесенного на внутреннюю поверхность входного оптического окна 3. На фотокатод 12 подается постоянное или импульсное напряжение от высоковольтного источника питания 5. Экран 14 выполнен в виде люминесцентного покрытия, нанесенного на внутреннюю поверхность выходного оптического окна 4, на него подается от высоковольтного источника питания 5 ускоряющее напряжение 5-6 кВ относительно выходной поверхности МКП 13. МКП 13 установлена между фотокатодом 12 и экраном 14. На боковые поверхности МКП подается напряжение 500-900 В от высоковольтного источника питания 5.

При практическом использовании ЭОП устанавливается в цилиндрический корпус ночного прицела и зажимается между поверхностью задней крышки 15 кожуха 1 и первой отбортовкой 8 торцевой стенки 7. При таком креплении практически вся энергия механического удара передается кожуху 1 ЭОП.

Вакуумная трубка 2 при ударе, который передается прицелу от выстрела, не имеет жесткого упора, а упирается в центральную часть торцевой стенки 7 через уплотняющее кольцо 11 и тонкий слой полимерного материала 6, которые амортизируют и значительно ослабляют энергию удара вакуумной трубки 2. При этом МКП 13, жестко закрепленная в вакуумной трубке 2, также получает ослабленное воздействие, и таким образом сохраняется от вибрации и разрушения.

Центральная часть торцевой стенки 7, которая выгнута наружу и находится в напряженном состоянии, играет роль пружины и возвращает вакуумную трубку 2 на место после удара. Амортизирущий эффект торцевой стенки 7 не ухудшается в течение времени эксплуатации. С ЭОП предложенной конструкции, обладающим удароустойчивостью, обеспечивается стабильность изображения и отсутствие увода изображения после многократных выстрелов, а также температурных и других климатических воздействий на прицел.

Кроме того, по сравнению с прототипом, ЭОП имеет повышенную влагозащищенность, т.к. полимерный материал 6 закрыт уплотнительным кольцом 11, нигде не соприкасается с воздухом и не подвергается воздействию паров воды и других вредных климатических факторов.

Проведенные многократные испытания ЭОП на удары с ускорением до 2000 g вдоль его оси показали отсутствие разрушения МКП 13 толщиной менее 0,3 мм, а также отсутствие пробоев и автомиссионных точек. Это свидетельствует о том, что вибрация МКП 13 не превышает предельных значений. Испытания продемонстрировали повышенную удароустойчивость предлагаемой конструкции и подтвердили возможность применения ЭОП с высокой разрешающей способностью в прицелах ночного видения.

Таким образом, по сравнению с прототипом, предлагаемая полезная модель позволяет повысить удароустойчивость электронно-оптического преобразователя.

1. Удароустойчивый электронно-оптический преобразователь, содержащий цилиндрический тонкостенный пластмассовый кожух с центральным отверстием на его торцевой стенке, в котором соосно ему установлены высоковольтный источник питания и вакуумная трубка с входным и выходным оптическими окнами, содержащая фотокатод, микроканальную пластину и экран, причем вакуумная трубка установлена входным оптическим окном со стороны центрального отверстия, а пространство между боковыми стенками кожуха, вакуумной трубкой и высоковольтным источником питания заполнено герметизирующим резиноподобным составом, отличающийся тем, что торцевая стенка кожуха выполнена с двумя отбортовками, первая из которых выполнена на внешней стороне торцевой стенки по контуру боковой стенки кожуха, а вторая - на внутренней стороне торцевой стенки по контуру центрального отверстия, при этом торцевая стенка кожуха вокруг центрального отверстия подпружинена и выгнута наружу посредством уплотняющего кольца, установленного между ней и входным оптическим окном вакуумной трубки, а пространство между торцевой стенкой кожуха, уплотняющим кольцом, вакуумной трубкой и высоковольтным источником питания заполнено герметизирующим резиноподобным составом.

2. ЭОП по п.1, отличающийся тем, что отбортовки имеют кольцевую форму.

3. ЭОП по п.1, отличающийся тем, что в качестве герметизирующего резиноподобного состава использован полимерный материал.

poleznayamodel.ru

Электронно-оптические преобразователи — cостояние и тенденции развития

Рассмотрены основные тенденции современного развития ЭОП, основными из которых являются существенное повышение уровня параметров зарубежных ЭОП 3-го поколения, включая создание ЭОП с продленной в ближнюю ИК-область чувствительностью, развитие ЭОП 2+ — поколения и создание их модификаций суперпоколения, а также расширение возможностей ЭОП за счет электронной и компьютерной обработки получаемого изображения в приборах с «развязанным» дисплеем (4-е поколение). В качестве примера последних описана разработанная в «НПО «Орион» совместно с «Орэкс» дневно-ночная цветная стереотелевизионная система наблюдения.

Развитие техники электронно-оптических преобразователей (ЭОП), являющихся основными элементами приборов ночного видения (ПНВ), было наиболее динамичным в период с конца 60- х до 80-х гг. В этот период были разработаны и освоены в производстве сразу три новых поколения ЭОП (первое, второе и третье) и основных элементов волоконно-оптических и микроканальных пластин (ВОП и МКП).Период развития ЭОП с начала 80-х гг. по настоящее время можно характеризовать как «спокойный, но существенный прогресс». Хотя за этот период не было создано новых поколений ЭОП, успехи в развитии основных элементов и комплектующих изделий ЭОП в сочетании с оптимизацией их применения привели к существенному росту параметров уже созданных ЭОП и, соответственно, ПНВ на их основе.Это отражается в названиях усовершенствованных модификаций, сравнимых с созданием новых поколений: 2+, 2++, 2Super, 3+ и т. д. К сожалению, основные успехи в этом развитии приходятся на долю зарубежных фирм, определяющих современный уровень ЭОП. Отставание отечественных разработок связано с известной экономической ситуацией, в первую очередь сказавшейся на снижении качества и повышении цен на основные комплектующие изделия ЭОП. В создавшемся положении отечественные разработчики не в состоянии обеспечить «зарубежный» уровень параметров и вынуждены искать технико-экономические «ниши» для упрощенных ЭОП, близких к нулевому поколению.

ЭОП 3-го поколения.

ЭОП 3-го поколения, принципиально отличающиеся от своих предшественников высокоэффективным полупроводниковым фотокатодом на основе арсенида галлия с отрицательным электронным сродством (ЭОС), впервые были представлены на международных выставках вооружений в 1980-1982 гг. Интегральная чувствительность этих ЭОП составляла 1000 мкА/лм при разрешающей способности 32-36 штр/мм. В дальнейшем американские фирмы Litton, ITT, Varian вели интенсивные работы по совершенствованию этих ЭОП, финансируемые Минобороны США. Как следует из материалов выставки IDEXч97 (Абу-Даби), разработчиками фирмы Litton за счет тщательного контроля процессов получения фотокатодных полупроводниковых структур с помощью люминесцентного и спектроскопических методов в готовых ЭОП OMNI IV была достигнута интегральная чувствительность фотокатода 1800 мкА/лм.

На длине волны 830 нм спектральная чувствительность этого катода (рис. 1) составляла 190 мА/Вт, что соответствует квантовому выходу 30 % (0,3 электрона/квант), а на длине волны 600 нм квантовый выход составлял 40 % (при теоретическом пределе 50 %). По сравнению с более ранними модификациями за счет оптимального подбора входного полупроводникового слоя фотокатод имеет хорошую чувствительность и в «синей» части спектра (до 400-450 нм). Очевидно, что внесение таких значений чувствительности в документацию предполагает наличие определенного технологического запаса и возможности получения чувствительности, превышающей 2000 мкА/лм.

Рис. 1. Типичные спектральные характеристики современных фотокатодов:1 — многощелочной (S-25) фотокатод; 2 — улучшенный многощелочной (Super S-25) фотокатод;3 — фотокатод 3-го поколения (GaAs) модификации OMNI IV; 4 — продленный в ближнююИК-область (ENIR) фотокатод на основе InGaAs

В ЭОП 3-го поколения OMNI III и OMNI IV применены созданные по заказам Минобороны США микроканальные пластины (МКП) с диаметром каналов 9 и 6 мкм (ранее применялись МКП с диаметром каналов 12 мкм). Это позволило повысить разрешающую способность ЭОП с 32-36 штр/мм (ЭОП начала 80-х гг.) до 52 (OMNI III) и 64 (OMNI IV) штр/мм. Повышение параметров ЭОП 3-го поколения существенно увеличило и дальность действия ПНВ на их основе, особенно при освещенностях на местности ниже 0,001 люкс. При такой освещенности дальность действия ПНВ AN PVS-7 (ночные очки) увеличивается в 1,5-1,6 раза по сравнению с тем же ПНВ, использующим ЭОП 2+ или «раннего»3-го поколений [1].ЭОП 3-го поколения могут быть использованы и для модернизации ПНВ, использующих ЭОП 2-го поколения не только с бипланарной, но и инверторной электронно-оптической системой. Один из вариантов такой модернизации массового танкового водительского ПНВ был представлен фирмой ITT [2]. Используемый в ПНВ ЭОП 2-го поколения с рабочим диаметром фотокатода 25 мм (аналог — отечественный ЭП-10 или «Канал») заменяется на ЭОП 3-го поколения с таким же рабочим диаметром следующим образом. К выходной ВОП ЭОП 3-го поколения оптически присоединяется оборачивающая волоконно-оптическая стопа, удлиняющая оптическую длину системы «ЭОП+стопа» до длины заменяемого инверторного ЭОП. Замена последнего на систему «ЭОП+ стопа» не требует никаких изменений оптической схемы ПНВ и его деталей, что весьма выгодно с экономической точки зрения. Дальность действия ПНВ (с учетом потерь в стопе) увеличивается почти в 2 раза за счет более высоких чувствительности и разрешения ЭОП3-го поколения. Суммарный технико-экономический эффект такой замены компенсирует высокую стоимость ЭОП 3-го поколения.

ЭОП 3-го поколения с продленной ИК-чувствительностью.

Единственным фотокатодом, чувствительным в области за 0,9 мкм, до последнего времени являлся кислородно-серебряно-цезиевый (КСЦ) фотокатод (S-1 по американской классификации), имеющий «красную» границу 1,2-1,4 мкм. Недостатками этого катода являются низкая интегральная чувствительность (30-50 мкА/лм) и высокий темновой ток (10-13-10-11 А/см2). В силу этогоЭОП с такими фотокатодами могут использоваться практически только в ПНВ с подсветкой наблюдаемых объектов ИК-прожектором (по существующей терминологии — активных ПНВ). Такие приборы исторически были первым поколением ПНВ и могли использоваться, естественно, только против противника, не обладающего аналогичной техникой.Несмотря на создание позднее ЭОП с более эффективными многощелочными фотокатодами, имеющими «красную» границу 0,9 мкм, интерес к более длинноволновым фотокатодам не ослабевал как из-за более высокой интенсивности излучения ночного неба, так и из-за большей разницы в коэффициентах отражения естественных и искусственных объектов в области за 0,9 мкм. Другой причиной интереса к длинноволновым фотокатодом явились создание эффективных лазерных излучателей на основе Nd:YAG с длиной волны излучения 1,06 мкм и необходимость возможности визуализации их излучения. Последнее может быть собственной подсветкой или целеуказанием, а также излучением аналогичных средств и дальномеров противника.Возможность создания длинноволновых фотокатодов с существенно более высокой интегральной чувствительностью, чем КСЦ-фотокатод, появилась в результате интенсивных исследований фотоэмиттеров с ОЭС на базе соединений AIII-BV.Перспективными считались фотокатоды на основе соединений AIII-BV с приложенным электрическим полем, облегчающим выход электронов в вакуум и дающим возможность получить фотоэмиссию в диапазоне до 1,6-1,8 мкм. Были получены образцы ЭОП с такими фотокатодами с квантовым выходом до 10 % в области 1,2-1,6 мкм [3]. Однако создать серийно способную технологию таких ЭОП не удалось.Основная причина этого заключалась в том, что наличие в тонком фотокатоде сильного электрического поля (до 50 000 В/см) приводило к большому браку по качеству изображения (однородность, дефекты) и надежности (электрическая прочность).Более успешными оказались работы по увеличению ИК-чувствительности фотокатодов 3-го поколения путем введения в активный слой GaAs 10-15%-й добавки индия и создания таким образом тройного соединения InGaAs, состав которого тщательно контролировался методами фотолюминесцентными и рамановской спектроскопии [2]. В результате фирмой Litton на базе стандартной конструкции 3-го поколения были созданы ЭОП с таким фотокатодом, названным «Extended Near IR» (продленный в ближнюю ИК-область) — сокращенно ENIR.Такой ЭОП имеет спектральную чувствительность, представленную на рис. 1, при интегральной чувствительности 300-1000 мкА/лм. На «лазерной» длине волны 1,06 мкм чувствительность составляет 0,025-0,35 мА/Вт (квантовый выход 0,003-0,04 %, соответственно), что несколько меньше чувствительности КСЦ-фотокатода на этой длине волны (порядка 0,7 мА/Вт). Однако более низкий темновой ток (около 5·10-14 А/см2) и значительно более высокая интегральная чувствительность делают новый катод перспективным как для пассивных, так и подсветочных ПНВ.ЭОП стандартной конструкции 3-го поколения с таким фотокатодом и разрешающей способностью 46 штр/мм испытывался в составе ПНВ AQUILA III и показал следующие результаты: при ночной освещенности 0,005 лк дальность видения фигуры человека — до 800 м, танка — до 3200 м, в обоих случаях фон — зеленая трава [4].ЭОП с фотокатодом ENIR способны детектировать даже единичные импульсы широко распространенных Nd:YAG-лазерных дальномеров, не говоря уже о дальномерах и подсветочных устройствах на GaAs-лазерах. Прицелы и очки с такими ЭОП дают возможность повышения точности ночной стрельбы по цели, освещенной лазерным излучателем с малым углом расхождения пучка, ось которого съюстирована с осью канала ствола стрелкового оружия. При этом прицельный луч и его «метка» на цели не обнаруживаются никакими другими ПНВ, кроме оснащенных ЭОП с ENIR-фотокатодом.

ЭОП 2+ поколения.

В связи с высокой стоимостью первых ЭОП 3-го поколения, сравнимой с ценой отечественного легкового автомобиля, разработчиками ЭОП и ПНВ было принято логичное решение: параллельно с усовершенствованием и удешевлением ЭОП 3-го поколения разработать ЭОП полностью аналогичной конструкции (включая оптические и электрические параметры) с хорошо освоенным и более дешевым многощелочным фотокатодм. Таким ЭОП предполагалось комплектовать ПНВ до начала массового производства ЭОП 3-го поколения и затем произвести технически несложную замену «временных» ЭОП на ЭОП 3-го поколения.Эти «временные» ЭОП с бипланарной электростатической фокусировкой и микроканальным усилением получили название 2-плюс (2+) поколения в отличие от 2-го поколения с оборачивающей электростатической фокусировкой и микроканальным усилением. Предполагалось, по-видимому, что параметры 2+ поколения будут близки к 2-му поколению. В ходе разработок этих ЭОП наибольшего успеха добилась фирма Philips, создавшая ЭОП ХХ1610, намного превосходящие по параметрам 2-е поколение и приближающиеся к ЭОП 3-го поколения. Эти ЭОП получили зарегистрированное фирменное название SuperGen.Типичная интегральная фоточувствительность многощелочного фотокатода (Super S-25) в этих ЭОП составляет 650 мкА/лм (в стандартных ЭОП 2 и 2+ поколений это значение не превышает 280-350 мкА/лм). Разрешающая способность — 36-40 штр/мм при частотно- контрастной характеристике, не уступающей ЭОП3-го поколения OMNI III: 19 % на пространственной частоте 25 штр/мм [5].Разработчиками SuperGen получены хорошие шумовые характеристики ЭОП, определяемые следующими факторами. Многощелочной фотокатод является более стойким соединением по сравнению с фотокатодами3-го поколения и практически не деградирует под действием положительных ионов, возникающих в каналах МКП и бомбардирующих фотокатод. Поэтому в ЭОП 2+ поколения нет ионно-барьерной пленки на входе МКП, применяемой в ЭОП3-го поколения. Эта пленка, защищая фотокатод от положительных ионов, в то же время препятствует попаданию в МКП до 30-50 % эмитируемых фотокатодом электронов. Последнее приводит к снижению эффективности детектирования фотонов и к увеличению шумов ЭОП.Помимо отсутствия ионно-барьерной пленки, снижению шумов способствовало улучшение двух важных характеристик МКП. В ЭОП SuperGen фирма Philips применила МКП, изготовленные из собственной пары стекол и по собственной технологии. Эти МКП имели повышенную прозрачность (т. е. отношение суммарной площади каналов на входной плоскости МКП к общей рабочей площади МКП) и повышенный коэффициент вторичной эмиссии при соударении электронов со стенками каналов. В итоге в этих ЭОП значение фактора шума было снижено до 1,5, в то время как для ЭОП 3-го поколения эта величина равна 3,0-3,5.Вышеуказанный рост параметров обеспечил получение с ЭОП SuperGen 2+ поколения практически тех же дальностей действия ПНВ, что и с ЭОП 3-го поколения (за исключением последней модификации OMNI IV) при освещенностях до 0,001 лк. Таким образом, ЭОП SuperGen из «временно замещающего » превратился в самостоятельную и более дешевую альтернативу для ЭОП 3-го поколения.Это привело к изменению идеологии комплектования ПНВ конструктивно взаимозаменяемыми ЭОП 2+ и 3-го поколений. Относительно недорогие и массовые ПНВ (монокуляры, прицелы легкого оружия, очки) целесообразно комплектовать ЭОП 2+ поколения,а ЭОП 3-го поколения применять в них для специальных задач, требующих получения максимальных дальностей в условиях освещенности ниже 0,001 лк. В случаях применения ПНВ на объектах, цена которых намного превосходит цены ЭОП (танк, вертолет, БМП), естественно использовать в них ЭОП 3-го поколения для максимального повышения эффективности ночных действий объекта применения.

ЭОП с ПЗС — 4-е поколение ЭОП и ПНВ

Приборы, в которых изображение, получаемое с помощью ЭОП, преобразуется ПЗС- матрицей в видеосигнал и может наблюдаться на дистанционно разнесенном дисплее, весьма перспективны для гражданских и специальных целей: ночная охрана объектов, вождение транспортных средств, дистанционное наблюдение за ночной жизнью животных и т. д.Дисплей в таких приборах может быть либо разнесен с сенсорным блоком (объектив+ЭОП+ПЗС) на расстоянии до 100 м и более, либо в миниатюрном исполнении может быть размещен перед глазом (или глазами) наблюдателя. Связь дисплея с сенсорным блоком может быть проводной или с помощью миниатюрных телевизионных передатчиков. В последнем случае изображение может приниматься по одному из каналов обычного телевизионного приемника. Принципиально новая компоновка таких ПНВ с «развязанным» индикатором позволяет выделить их в новое, 4-е поколение ПНВ (предыдущие поколения «нумеруются» по поколениям используемых в них ЭОП).Создание таких ПНВ с параметрами, представляющими практический интерес для ночного видения, впервые стало возможным после создания ЭОП с высоким усилением света. Это связано с тем, что в первых гибридных преобразователях оптическая «стыковка» изображения с выходного экрана ЭОП 1, 2 или 3-го поколения и приемной матрицы ПЗС осуществлялось с помощью оптики переноса либо фоконов с большими потерями по энергетике. При пороговой чувствительности ПЗС матриц порядка 0,1 лк требовалось усиление ЭОП не менее 10000, чтобы реализовать разрешение ПЗС при ночных освещенностях, и высокие разрешение и качество изображения ЭОП, в первую очередь, отсутствие пространственных (структурных) шумов.Исследования сенсорных блоков ЭОП+ПЗС с различными типами ЭОП, стыкованными через фокон с ПЗС ICX 038/039 показали, что разрешающая способность в 100 телевизионных линий достигается при использовании ЭОП 2-го поколения при освещенности 0,001 лк, для ЭОП 2+ SuperGen при освещенности 0,00001 лк достигается 180 ТВ-линий. При освещенностях порядка 0,001 лк такие сенсоры обеспечивают 400 ТВ-линий, что делает их весьма перспективными для систем ночного видения [6]. В настоящее время развитие таких систем идет по нескольким направлениям.Ряд зарубежных фирм выпускает ЭОП, состыкованные с ПЗС-матрицами через фокон и называемые Low Light Level Imagе Sensors или Intensified CCD Sensors. Например, фирма De Oude Delft выпускает такие ЭОП на базе ЭОП 3-го поколения, обеспечивающие при ночной освещенности разрешение до 400 ТВ-линий (тип ХХ 1760).Наиболее перспективными являются ЭОП, в которых матрица ПЗС помещается внутри вакуумного объема ЭОП и возбуждается с тыльной стороны непосредственно электронным пучком, несущим информацию об изображении. При этом исключаются потери на преобразование энергии электронов в световую энергию (свыше 80 %) и ее переноса через оптику или фокон на ПЗС. В результате такой прибор существенно превосходит все остальные типы ЭОП с ПЗС по информационной емкости и пороговой освещенности, достигающей в ЭОП с электронно- возбуждаемой ПЗС (ЭВПЗС) 0,000001 лк.ЭОП с высокочувствительным фотокатодом 2+ или 3-го поколения с ЭВПЗС и выходом в виде контактов матрицы ПЗС или сразу видеосигнала принято называть в последнее время ЭОП 4-го поколения.Несмотря на явные преимущества таких ЭОП, они являются весьма сложными в плане технологического совмещения фотокатодов и ПЗС в одном вакуумном объеме. Кроме того, получение тонкой ПЗС для возбуждения электронами с тыльной стороны представляет самостоятельную проблему. В связи с этим ЭОП 4-го поколения пока выпускаются очень немногими фирмами, в том числе российской — ЦНИИ «Электрон «, и имеют стоимость выше стоимости ЭОП 3-го поколения.Поэтому в настоящее время более распространены приборы 4-го поколения, в которых ЭОП стыкуются в ПЗС через оптику переноса или фокон. Некоторыми зарубежными фирмами к стандартным ПНВ в качестве выбираемой комплектации прилагается переходное устройство с «С «-резьбой, позволяющее присоединять ПНВ к стандартным ПЗС-видеокамерам вместо их «дневного » объектива.Такая комплектация предусмотрена, например в ПНВ М982/М983, М942/М944, AN/PVS-8 фирмы Litton и в ПНВ Nite Watch фирмы EEV.Фирма Intevac выпускает прибор- «помощник » ПЗС-видеокамер «Nite Mate » — прибор, состоящий из ЭОП 3-поколения, блока его питания с входным постоянным напряжением 12 В (унификация с питанием ПЗС-камеры) и оптики переноса. На входе и выходе прибора — унифицированная «С «-резьба для присоединения объектива ПЗС-камеры и самой камеры. При этом сохраняется возможность работы и автоматического контроля объектива «auto-iris «. Производитель рекламирует возможность получения с стандартными ПЗС (пороговая чувствительность — 0,1 лк) форматом 1/2″ или 2/3″ разрешающей способности 425 ТВ-линий при освещенности 0,00001 лк (пасмурная звездная ночь).Другим направлением являются полностью или частично комплексированные ПНВ 4-го поколения. Примером является Televised Lightwеight Universal Night Observation Systems (TELELUNOS) бельгийско-нидерландской фирмы Delft Sensor Systems. Система состоит из входного объектива, ЭОП 2+ или 3-го поколения, состыкованного с 2/3″ ПЗС с числом элементов 756х581 и дистанционно разнесенных дисплея и блока управления. Система комплектуется тремя объективами (1Х, 4Х и 6Х) и предусмотрена возможность использования объективов с переменным увеличением ( «zoom «) и изменяющейся диафрагмой. Управление объективами осуществляется с пульта управления. При использовании объективов с изменяющейся диафрагмой система имеет динамический диапазон от 0,0001 до 100 000 лк и может использоваться как в дневных, так и ночных условиях для наблюдения и документирования (видеозапись) наблюдаемых сцен и объектов. Поле зрения системы составляет 32 (по горизонтали) х 24 (по вертикали) градуса при использовании объектива 1Х при разрешении по горизонтали 0,44 ТВ-линии/мрад (соответствует 360 линиям на все поле) при освещенности 0,0001 лк, а с объективом 6Х — поле зрения 5,4х4,0 град и разрешение 3,78 ТВ-линии/мрад при тех же условиях [7].Преобразование изображения, получаемого с помощью ЭОП, в аналоговой или цифровой видеосигнал открывает дополнительные возможности по обработке изображения с целью повышения его информативности.«НПО «Орион» совместно с «Орэкс » разработана компьютерная система динамической окраски изображения, получаемого в форме видеосигнала с помощью ПНВ 4-го поколения или тепловизора. В отличие от известных способов получения изображения в условных цветах методом амплитудной селекции видеосигнала в разработанной системе каждому значению видеосигнала «присваивается » один из цветов 256-цветной палитры и производится циклическая смена цветов палитры со скоростью, не превышающей величину, обратную латентному периоду зрительной реакции глаза. Разработанное программное обеспечение обеспечивает возможность использования 72 палитр и передачи цветного изображения 256х192 элемента с частотой 15 Гц.Система дает возможность лучшего и быстрого различения мелких и малоконтрастных деталей за счет того, что в определенный момент наблюдения они окрашиваются в контрастирующий с фоном цвет. Это позволяет открывать в изображении детали, кажущиеся незаметными в черно-белой картине, и может быть использовано не только для повышения информативности изображений ночных или тепловизорных сцен, но и давать практическое преимущество при расшифровке фотографий астрономических, биологических и других объектов.Еще большими возможностями обладает разработанная «НПО «Орион»» и «Орэкс» ночная стереоскопическая телевизионная система наблюдения (рис. 2). В этой системе изображение создается с помощью двух каналов, каждый из которых содержит управляемый объектив и высококачественный бипланарный ЭОП, состыкованный с ПЗС. Видеосигналы преобразуются в цифровую форму и после специальной электронной и компьютерной обработки поступают на очки (шлем) «виртуальной реальности либо наблюдаются на дисплее с помощью жидкокристаллических светоклапанных очков.Система дает возможность получения объемного (стерео) изображения с хорошей передачей ощущения глубины сцены и объема наблюдаемых объектов с возможностью регулировки зоны стереовидения и глубинной разрешающей способности. Получение стереоизображения ночной сцены имеет все известные преимущества стереоустройств отображения визуальной информации: лучшую и более быструю распознаваемость объектов, повышенную точность оценки взаиморасположения объектов и др. [8]. Для ночного видения наиболее важным является снижение флуктуационных шумов в стереоизображении по сравнению с двумерным (плоским) изображением. Это связано с тем фактом, что шумы психофизиологически воспринимаются распределенными в объемном пространстве и не связанными с конкретными деталями изображения.

Рис. 2. Стереоскопическая дневно-ночная телевизионная система наблюдения

Схема питания ЭОП в описываемой системе обеспечивает эффекты «электронной диафрагмы» и «электронного затвора», что обеспечивает работоспособность прибора как в ночных, так и в дневных условиях, а также в импульсном режиме. Для возможности работы в условиях дымки, тумана, дождя система может комплектоваться лазерной подсветкой, синхронизированной с «электронным затвором».Система имеет широкий диапазон применений, в том числе, по мнению авторов, может эффективно использоваться для ночного вождения транспортных средств. Объемность изображения дорожного полотна, улучшенное обнаружение малоразмерных препятствий позволят повысить скорость ночного вожденияв 1,4-1,5 раза.Перспективным является также использование стереосистемы в дневных или ночных условиях в телеуправляемых роботах-манипуляторах, в том числе — роботах-саперах. Стереосистема позволит повысить эффективность управления движением роботов и их механических «рук » за счет лучшей оценки взаиморасположения предметов.Стереосистема позволяет также получать изображение в естественных цветах при комплектации ее схемой оптико-электронной фильтрации. Эксперименты по наблюдению объектов в дневных условиях показали возможность цветопередачи, соответствующей изображению первых цветных телевизоров. В ночных условиях (при лунном освещении) наблюдается почти обычная, «дневная » раскраска наблюдаемой сцены.Помимо чисто художественного аспекта, цветное изображение позволяет повысить скорость обнаружения и распознаваемость объектов.Цветная ночная система видения обеспечивает улучшение скорости распознаваемости на 30 % и снижение ошибок в распознавании на 60 % [7].

Заключение.

Высокие параметры описанных ЭОП 2+, 3-го и 3-ENIR поколений уже приблизились не только к технологическим, но и к теоретическим пределам по величине квантового выхода и длинноволновой границе фоточувствительности. Последняя для фотокатодов 3-го поколения физически ограничена длиной волны 1,1 мкм, за которой услвоие ОЭС не реализуется [3] и, как и для обычных фотокатодов, начинается резкий рост темновой фотоэмиссии.Физические принципы ограничивают и возможности твердотельных аналогов ЭОП, строящихся по схеме «фотопроводник-электролюминофор». Такие преобразователи могут обеспечить заметные усиления (более 10) только при невысокой концентрации равновесных носителей в зоне проводимости фотопроводника, т. е. при достаточно широкой его запрещенной зоне и, соответственно, «короткой» длинноволновой границе чувствительности.Основные перспективы повышения информационной емкости ПНВ с ЭОП связаны с электронной и компьютерной обработкой изображения, создаваемого ЭОП, повышающей информативость в 1,3-2 раза, а также с объединением оптико-электронного канала на основе ЭОП (0,4-1,1 мкм) с тепловизионным каналом (3-5, 8-14 мкм) в полиспектральных ПНВ следующих поколений.

opticstoday.com