Москва 2011

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования

Московский государственный институт электроники и математики

(Технический университет)

Кафедра «Лазерные и микроволновые

информационные системы»

Определение энергетических параметров ЭОП

Методические указания к лабораторной работе по курсу «Вакуумные и плазменные приборы и устройства»

Москва 2011

 

Составитель д-р техн. наук, проф. В.П. Симонов

 

УДК 621.385.832.001.63; 658.512.001.56

Определение энергетических параметров ЭОП: Метод. указания к лабораторной работе по курсу «Вакуумные и плазменные приборы и устройства» / Моск. гос. ин-т электроники и математики; Сост.: В.П. Симонов. М., 2011. 13 с.

 

Табл. 2. Илл. 2. Библиогр.: 8 назв.

 

Предназначены для использования в лабораторном практикуме курса «Вакуумные и плазменные приборы и устройства» по специальности 200300 «Электронные приборы и устройства». В указания включена лабораторная работа «Определение энергетических параметров ЭОП». Содержат краткие теоретические сведения, необходимые для выполнения этой работы, а также описание порядка выполнения работы и требования к оформлению отчёта.

Для студентов IV курса групп ЭП и ЭПВ.

 

 

ISBN 978-5-94506-284-9

 

 

«Определение энергетических параметров ЭОП»

 

1.Цель работы

Целью работы является изучение энергетических и оптических параметров электронно-оптических преобразователей (ЭОП), методы их определения и измерений.

На примере двухкамерного электронно-оптического преобразователя типа УМ-91, использующего усилительный каскад на принципе оптического контакта люминофор-фотокатод определяются основные параметры входного фотокатода, коэффициент усиления по току промежуточного каскада, спектральный коэффициент преобразования ЭОП.

 

 

2.Основные теоретические положения

 

Параметры фотокатодов.

Основной характеристикой фотокатодов является спектральная характеристика, то есть зависимость спектральной чувствительности (или его квантового выхода) от длины волны монохроматического излучения l, вызывающего фотоэмиссию.

Различают абсолютную и относительные спектральные характеристики фотокатодов.

Абсолютная спектральная характеристика представляет собой отношение фототока, измеренного в режиме насыщения, к мощности падающего на фотокатод монохроматического излучения с длиной волны l, выраженное в абсолютных единицах, т.е. А/Вт (mА/Вт).

Относительная спектральная характеристика фотокатода строится в относительных единицах - по оси ординат откладывается отношение , где - спектральная чувствительность в максимуме спектральной характеристики.

Основные параметры фотокатодов:

· Абсолютная спектральная чувствительность [ mA/Вт].

· Относительная спектральная чувствительность:

[отн. ед.]. (1)

· Квантовый выход - отношение числа эмиттированных электронов к числу падающих на фотокатод фононов (в безразмерных единицах).

Связь между и :

, (2)

где входит в mA/Вт, а l - в нм,

или . (3)

 

 

· Интегральная чувствительность фотокатода S - отношение фототока (измеренного в режиме насыщения) к величине падающего светового потока неразложенного света определенного стандартного источника излучения:

= [мкА/лм], (4)

где

-относительная спектральная характеристика источника А (лампы накаливания при температуре нити 2850 К),

- относительная спектральная характеристика чувствительности глаза (кривая видности),

выражено в mА/Вт,

- порог фотоэффекта фотокатода,

и - граница видимого диапазона.

Обозначим численные значения интегралов

= и = .

Тогда связь между интегральной чувствительностью фотокатода, которую можно просто измерить, пользуясь лампой с известной силой света, и его максимальной спектральной чувствительностью выражается следующим соотношением:

(5)

или . (6)

Множитель 683 (7) показывают коэффициентом конверсии данного фотокатода в лм/Вт. Следовательно,

(8)

В уравнениях (5)-(8) выражено в mА/Вт, а S - в мкА/лм.

Зная максимальную спектральную чувствительность фотокатода, можно найти величину спектральной чувствительности на любой длине волны:

.

 

 

Параметры и характеристики ЭОП

В соответствии с государственным стандартом вся номенклатура параметров и характеристик ЭОП подразделяется на энергетические и оптические.

Под энергетическими параметрами ЭОП понимают параметры, характеризующие эффективность преобразования излучения электронно-оптических преобразователей и уровень его паразитного свечения и оцениваемые по результатам измерений или визуальных наблюдений. К ним отнесены: интегральная чувствительность фотокатода, коэффициент преобразования, коэффициент яркости, яркость темнового фона, пороговая освещенность.

Оптические параметры ЭОП - параметры, характеризующие линейное поле зрения ЭОП, преобразование формы или распределения яркости в передаваемом ЭОП изображении и оцениваемые по результатам измерений или визуальных наблюдений.

Основными оптическими параметрами являются: размер рабочего поля фотокатода, размер рабочего поля экрана, электронно-оптическое увеличение, поворот изображения на экране, эксцентриситет, коэффициент контраста, предел разрешения, рабочее разрешение, степень чистоты поля зрения и коэффициент неравномерного свечения экрана.

Определения перечисленным параметрам и характеристикам ЭОП приведены в таблице 1.

Таблица 1.Параметры и характеристики электронно-оптических преобразователей

Параметр	Определение
Коэффициент преобразования	-отношение потока излучения экрана к потоку излучения, падающего на фотокатод ЭОП.
Коэффициент яркости	-отношение энергетической светимости экрана к энергетической освещенности фотокатода ЭОП.
Яркость темнового фона	-яркость свечения экрана ЭОП при отсутствии облучения фотокатода.
Пороговая освещенность	минимальная освещенность на входном отверстии объектива, проецирующего на центр фотокатода точечный источник света, при которой на экране ЭОП через окулярную оптику различают на пределе изображение этого источника.
Размер рабочего поля фотокатода	-размер поверхности фотокатода ЭОП, в пределах которого изображение воспроизводится на экране.
Размер рабочего поля экрана	-размер поверхности на экране ЭОП, в пределах которого может воспроизводиться изображение, спроецированное на фотокатод.
Электронно-оптическое увеличение	-отношение размера изображения объекта на экране ЭОП к размеру соответствующего ему изображения объекта на фотокатоде.
Поворот изображения на экране	-угловое смещение изображения на экране ЭОП по отношению к изображению на фотокатоде.
Эксцентриситет	-постоянное отклонение изображения центра фотокатода на экране от геометрического центра экрана ЭОП.
Коэффициент контраста	-отношение разности между яркостями изображений на экране необлученного и облученного участков входного фотокатода к разности между яркостями изображения облученного участка фотокатода и темнового фона ЭОП.
Предел разрешения	-наибольшее число штрихов в одном миллиметре изображения миры в центре фотокатода ЭОП, которые видны раздельно по четырем направлениям, при оптимальной для наблюдателя яркости и достаточном увеличении.
Рабочее разрешение	-наибольшее число штрихов в одном миллиметре изображения миры на фотокатоде ЭОП, различимое на экране по четырем направлениям, при заданных облученности, контрасте изображения на фотокатоде и увеличении.
Степень чистоты поля зрения	-характеристика, нормирующая на рабочем поле фотокатода и экрана ЭОП допустимое количество дефектов в виде стационарных и перемещающихся темных и светлых точек и пятен.
Коэффициент неравномерности свечения экрана	-отношение разности экстремальных значений яркости свечения участков экрана к их сумме при равномерной освещенности фотокатода ЭОП.

 

В паспортах на конкретные виды ЭОП в дополнение к параметрам и характеристикам, приведенным в таблице 1, иногда указывают тип входного фотокатода, его спектральную чувствительность или квантовый выход (в максимуме спектральной характеристики чувствительности или на фиксированных длинах волн), рабочие и предельно допустимые режимы питания электродов ЭОП, а также геометрические размеры и вес ЭОП.

Электронно-оптический преобразователь типа УМ-91Ш

 

Конструкция двухкамерного ЭОП и усилителя яркости изображения с магнитной фокусировкой типа УМ-91Ш схематически представлена на рис.1. Он имеет входной фотокатод 2, сформированный на внутренней поверхности плоского стеклянного входного окна 1, промежуточный усилитель электронного изображения (каскад усиления) и выходной катодолюминесцентный экран с люминофором 9, нанесенным на плоское выходное окно колбы преобразователя.

Промежуточный усилитель электронного изображения основан на принципе оптического контакта и представляет собой тонкую слюдяную пластинку 6 толщиной 3-5 мкм. На одной стороне этой пластинки, обращенной к входному фотокатоду, наносится люминофор, а с другой стороны, обращенной к выходному экрану, формируется сурьмяно-цезиевый или мультищелочной фотокатод.

Усиление электронного изображения осуществляется следующим образом: полученное в плоскости входного оптического диска 1 оптическое изображение

наблюдаемого объекта переносится на фотокатод 2 и преобразуется на нем в электронное изображение. Это электронное изображение переносится электрическим полем и фокусируется магнитным полем в плоскости люминофора 5 электронного усилителя. Люминофор 5 преобразует электронное изображение в оптическое, которое через тонкую слюдяную пластинку переносится в плоскость фотокатода 7 и преобразуется на нем снова в электронное изображение. Благодаря тому, что слюдяная пластинка электронного усилителя, построенного по принципу оптического контакта, очень тонкая, пространственное разрешение при переносе оптического изображения практически не ухудшается.

 

 

Рис.1. ЭОП и усилитель яркости изображения с магнитной фокусировкой УМ-91Ш:

1 - плоское входное окно; 2 - фотокатод; 3 - анод; 4 - стеклянная колба; 5 - люминофор; 6 - слюда; 7-фотокатод; 8 - анод; 9 - люминофор; 10 - выходное плоское стекло; 11 - фокусирующая система; 12- вывод анода-выходного люминесцентного экрана; 13 - вывод анода - каскада усиления; 14 - вывод фотокатода

 

Преобразователи УМ-91Ш предназначены для работы в измерительных установках и системах в качестве многофункциональных измерительных преобразователей для усиления слабых оптических изображений и слабых потоков оптического излучения в ближнем ультрафиолетовом, видимом и ближнем инфракрасном диапазонах длин волн. Они могут быть применены в установках для исследования в области физики, биологии, астрономии, в промышленной и медицинской диагностике, в осциллографии, кристаллографии, киносъемке в инфракрасных лучах, в медицинских исследованиях и в других областях техники.

Спектральный коэффициент преобразования такого двухкамерного ЭОП (в световых единицах - лм/Вт) рассчитывается по формуле:

, (9)

где

- спектральная чувствительность входного фотокатода первой входной камеры преобразователя, А/Вт;

- напряжение, приложенное между фотокатодом и экраном второй (выходной) камеры, В;

- световая отдача люминофора выходного экрана преобразователя, лм/Вт;

- коэффициент усиления по току промежуточного каскада усиления на принципе омического контакта;

m - элекронно-оптическое увеличение при переносе изображения из плоскости входного фотокатода в плоскость люминофора первой камеры.

Методика расчета Кус каскада усиления

 

Схема конструктивных элементов двухкамерного ЭОП, поясняющая принцип работы каскада усиления тока, представлена на рис.2.

 

Рис.2. Схема конструктивных элементов двухкамерного ЭОП, поясняющая принцип работы каскада усиления по току.

ФК1 и ФК2 - фотокатоды первой (входной) и второй камер, соответственно; Э1 и Э2 - катодолюминесцентные экраны первой и второй камер, соответственно; и - напряжения между фотокатодом и анодом (экраном) первой и второй камер; и - фототоки в первой и во второй камерах

 

Коэффициент усиления по току промежуточных усилителей, построенных на принципе оптического контакта, определяется сочетанием пары люминофор - фотокатод и может быть вычислен по имеющимся данным по спектральному энергетическому выходу катодолюминесценции используемого люминофора и спектральной чувствительности фотокатода.

промежуточного каскада усиления по току равен . (10)

Фототок во второй камере определяется из выражения:

, (11)

где - спектральная чувствительность фотокатода ФК2, А/Вт; - лучистый поток на длине волны l внутри границ спектра излучения люминофора катодолюминесцентного экрана Э1, Вт; и - границы спектра излучения люминофора экрана Э1, нм.

Поскольку

(12)

(здесь - энергетический выход катодолюминесценции люминофора экрана Э1 на длине волны l, Вт/Вт×нм), выражения для (11) и (10) принимают вид:

(13)

и

. (14)

Обозначим через

s(l)= (15) - относительную спектральную чувствительность ФК2;

(16) - относительную видность;

Y(l)= (17) - относительный энергетический выход катодолюминесценции экрана Э1,

где - спектральная чувствительность фотокатода ФК2 в максимуме кривой его спектральной чувсвительности, А/Вт; - максимальная видность на длине волны l = 554 нм; - энергетический выход катодолюминесценции в максимуме спектра излучения люминофора экрана Э1, Вт/Вт×нм.

Следовательно,

. (18)

Поскольку обычно в справочниках приводятся светоотдача экрана , выражаемая в световых единицах, т.е. лм/Вт, то, учитывая, что

, (19)

окончательно имеем:

(20)

3.Постановка задачи.

Настоящая работа включает три задания по определению параметров ЭОП.

Задание I. Определение основных параметров входного фотокатода.

По задаваемым интегральной чувствительности и относительной спектральной характеристике фотокатода определить:

n значение абсолютной спектральной чувствительности фотокатода;

n значение квантового выхода в максимуме спектральной характеристики фотокатода и на длинах волн, соответствующим границам видимого диапазона (или красной границе фотоэффекта);

n коэффициент конверсии для излучаемого фотокатода.

Задание II. Определение коэффициента усиления по току промежуточного каскада на принципе оптического контакта люминофора первой камеры и фотокатода второй камеры двухкамерного ЭОП.

Определяется по задаваемым значениям рабочих напряжений на камерах, спектральной чувствительности в максимуме спектральной характеристики фотокатода второй камеры и светоотдачи люминофора экрана первой камеры.

Задание III. Определение коэффициента преобразования двухкамерного ЭОП.

Для расчета параметров входного фотокатода (фотокатода первой камеры) взять из задания I, значения коэффициента усиления промежуточного каскада- из задания II. Напряжение между фотокатодом и экраном, а также светоотдачу люминофора экрана во второй камере принять равными соответствующим значениям для первой камеры. Электронно - оптическое увеличение принять равным 1.

Необходимые для выполнения заданий спектральные характеристики приведены в таблице 2.

Светоотдача люминофоров, используемых в ЭОП:

ZnS: Ag, Ni (марки К-71) лм/Вт,

ZnS(45)Cd(55): Ag (марки К-67) лм/Вт.

 

 

Таблица 2. Спектральные зависимости чувствительности сурьмяно-цезиевого фотокатода бищелочного фотокатода , многощелочного фотокатода , излучение источника А, относительной видности и относительного энергетического выхода катодолюминесценции люминофоров К-71 и К-67.

№ п/п	l, нм	u(l)	(T=2250K)	s(l)	s(l)	s(l)	y(l) K-71	y(l) K-67
		0,00004	0,027	0,878	0,941	0,973
		0,0001	0,040	0,94	0,98	0,986
		0,0004	0,054	0,969	1,0	0,997	0,043
		0,0012	0,067	0,983	0,98	0,999	0,133
		0,004	0,081	0,990	0,934	1,0	0,267
		0,0116	0,095	0,994	0,895	0,997	0,546
		0,023	0,110	0,997	0,842	0,991	0,766
		0,038	0,126	1,0	0,789	0,975	0,941
		0,06	0,143	0,997	0,724	0,962	1,000	0,009
		0,091	0,164	0,983	0,671	0,943	0,867	0,061
		0,139	0,186	0,962	0,618	0,923	0,666	0,123
		0,208	0,206	0,926	0,572	0,89	0,480	0,236
		0,323	0,228	0,869	0,526	0,878	0,340	0,406
		0,503	0,252	0,812	0,474	0,845	0,240	0,631
		0,710	0,278	0,748	0,428	0,818	0,163	0,830
		0,862	0,303	0,691	0,382	0,775	0,107	0,935
		0,954	0,329	0,613	0,349	0,737	0,063	0,991
		0,995	0,355	0,584	0,322	0,704	0,037	0,973
		0,995	0,382	0,556	0,303	0,661	0,017	0,849
		0,952	0,411	0,447	0,283	0,621	0,003	0,706
		0,87	0,440	0,413	0,25	0,585		0,556
		0,757	0,466	0,349	0,217	0,553		0,424
		0,631	0,494	0,278	0,184	0,52		0,339
		0,503	0,517	0,214	0,158	0,488		0,245
		0,381	0,541	0,142	0,132	0,445		0,174
		0,265	0,564	0,093	0,105	0,428		0,113
		0,175	0,588	0,054	0,086	0,395		0,076
		0,107	0,611	0,028	0,066	0,363		0,038
		0,061	0,634	0,007	0,048	0,336		0,001
		0,032	0,655		0,02	0,309
		0,017	0,677			0,277
		0,0082	0,689			0,251
		0,0041	0,720			0,23
		0,0021	0,735			0,203
		0,00105	0,750			0,183
		0,00052	0,770			0,165
		0,00025	0,790			0,148
		0,00012	0,815			0,121
		0,00006	0,820			0,108

4.Содержение отчета

Отчет о выполнении лабораторной работы выполняется на компьютере (с применением текстового редактора) и должен содержать:

1). Титульный лист.

2). Схему изучаемого ЭОП типа УМ-91Ш.

3). Исходные данные для расчетов, выдаваемые преподавателем.

4). Результаты выполнения заданий I-III раздела 3, включая:

· спектральные характеристики фотокатодов и катодолюминесцентных экранов ЭОП;

· основные уравнения, объясняющие физический смысл рассчитанных параметров;

· анализ полученных результатов с точки зрения оптимальности сочетания пары люминофор - фотокатод промежуточного каскада усиления.

5). Выводы по проделанной работе.

5.Контрольные вопросы.

1) Что называется красной границей фотоэффекта?

2) Каковы границы видимого диапазона излучения?

3) Какая связь между энергией квантов в электрон - вольтах и длиной волны излучения в нанометрах?

4) Что понимают под источником типа А?

5) Какие параметры и характеристики ЭОП называют энергетическими?

6) Какие параметры и характеристики ЭОП называют оптическими?

7) Какие требования предъявляются к парам люминофор - фотокатод, используемых в каскадах усиления многокамерных ЭОП?

Литература

1. Соболева Н.А., Меламид А.В. Фотоэлектронные приборы.- М.: Высшая школа, 1974.- 376 с.

2. Берковский А.Г., Гаванин В.А., Зайдель И.Н. Вакуумные и фотоэлектронные приборы.- М.: Радио и связь, 1976.-344 с.

3. Берковский А.Г., Гаванин В.А., Зайдель И.Н. Вакуумные и фотоэлектронные приборы.- М.: Радио и связь, 1988.-272 с.

4. Жигарев А.А., Шамаева Г.Г. Электронно - лучевые и фотоэлектронные приборы.- М.: Машиностроение, 1983.- 296 с.

5. Новицкий Л.А., Степанов Б.М. Фотометрия быстропротекающих процессов: Справочник.- М.: Машиностроение, 1983.- 296 с.

6. Соболева Н.А., Берковский А.Г., Чечик Н.О. и др. Фотоэлектронные приборы.- М.: Наука, 1965.- 592 с.

7. Гугель Б.М. Люминофоры для электровакуумной промышленности.- М.: Энергия. 1967.- 344 с.

8. Бутслов Б.М., Степанов Б.М., Фанченко С.Д. Электронно - оптические преобразователи и их применение в научных исследованиях.- М.: Наука, 1978.- 432 с.