Файл: Козелкин В.В. Основы инфракрасной техники учебник.pdf

стоящая из полупрозрачной металлической пленки 1, поверх которой нанесено фотосопротивление 2. Металлическая пленка иг­ рает роль сигнальной пластины, вывод от нее соединен с нагру­ зочным резистором Ru. Электронный луч 4 формируется элект­ ронной пушкой 6. Вдоль стенок трубки располагается длинный металлический цилиндр — второй анод 5. Второй анод заканчи­ вается тонкой мелкоструктурной сеткой 3, которая выравнивает электрическое поле вблизи мишени. Две пары отклоняющих ка­ тушек 8, надеваемых на трубку, служат для развертки изобра­ жения, а катушка 7 — для фокусировки электронного пучка.

Каждый элементарный участок полупроводниковой мишени можно условно представить в виде элементарного конденсатора (рис. 5.10, б). При отсутствии облучения по мере последова­ тельного прохождения электронного луча строка за строкой про­ исходит зарядка элементов мишени и образуется равномерный потенциальный рельеф. Когда на мишень проектируется изобра­ жение, то фотопроводимость освещенных участков увеличивается и электронные конденсаторы начинают разряжаться. Потенци­ альный рельеф мишени изменяется в соответствии с характе­ ром изображения, так как сопротивление отдельных участков мишени, а соответственно и скорость разряда, будут зависеть от облученности этих участков.

а—внднкон с отклоняющей и фокусирующей катушками; б—элемент мишени; /—’по­ лупрозрачная металлическая пленка; 2— фотосопротнвление; 3—мелкоструктурная сет­ ка; 4—электронный луч; 5—второй анод; 6—электронная пушка; 7—фокусирующая ка­ тушка; 8—отклоняющие катушки; 9—катушки для подфокусировкн; 10—стеклянная колба

При последовательном перемещении электронного пучка по облученной мишени на участки с различными потенциалами бу­ дет поступать различное количество электронов. Потенциал от­ дельных участков снова будет приобретать равновесное значение, а токи перезарядов элементарных конденсаторов, протекая по резистору Rw создадут на нем выходные сигналы, соответствую­ щие передаваемому изображению. Применяя специальные фото­

153

тодов усиления фототока использует явление электронного возбуждения проводимости. Телевизионная трубка с электрон­ ным возбуждением проводимости получила название эбикон.

Э б и к о н * по своему устройству напоминает виднкон с до­ бавлением еще одной секции — переноса изображения в виде фотокатода 1, расположенного с внутренней стороны лицевой поверхности колбы, и электростатической системы формирования изображения 2 (рис. 5.12).

Мишень эбикона представляет собой тонкий полупроводнико­ вый слон 4, вплотную прилегающий к тонкой алюминиевой плен­ ке 3 толщиной ~0,2 мкм. Вместо полупроводниковой пластины может быть использована такая же мозаика из кремниевых фо­ тодиодов, как и в кремниконе.

Когда передаваемое изображение проектируется на фотока­ тод 1, из него вылетают электроны, которые ускоряются напряжением 10—20 кВ, приложенным между фотокатодом и ми­ шенью, и, проходя через алюминиевую пленку, проникают в по­ лупроводник, изменяя его проводимость. Дальнейшее преобразо­ вание потенциального рельефа мишени в электрические сигналы

Рис. 5.12. Устройство эбикоиа:

У—‘фотокатод; 2—электростатическая система формирования изображения; 3—топкая алюминиевая пленка; 4—слой полупро­ водника

происходит так же, как в видиконе. Таким образом, в отличие от видикона на мишень воздействует не непосредственно световой поток изображения, а фотоэлектроны большой энергии, т. е. про­ исходит внутреннее усиление изображения. Это позволяет значи­ тельно повысить чувствительность эбикона по сравнению с видиконом и суперортнконом. Эбикон с сурьмяноцезиевым фото­ катодом позволяет вести наблюдение в ясную безлунную ночь при освещенности на фотокатоде порядка 10-4—10-5 лк.

Другой способ повышения чувствительности трубок заключа­ ется в предварительном усилении яркости изображения с по­

* Название образовано из начальных букв английских слов: electron bom­ bardment induced conductivity — устройство с проводимостью, наведенном посредством электронной бомбардировки.

155

Гл а в а VI. ОПТИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ

ИОПТИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ

ДЛЯ ИНФРАКРАСНОЙ ОБЛАСТИ СПЕКТРА

§ 6.1. МАТЕРИАЛЫ ДЛЯ ОПТИЧЕСКИХ СИСТЕМ ИК-ПРИБОРОВ

Оптические системы в приборах для инфракрасной области спектра состоят из тех же элементов и используются для тех же целей, что и в приборах, предназначенных для видимой обла­ сти спектра. Отличаются они только тем, что инфракрасные оп­ тические устройства используются в области невидимого ПКпзлученпя, собирая и концентрируя его на приемниках лучистой энергии или отражая и направляя излучение от различных ис­ точников ПК-областп спектра.

Следовательно, материал для оптической системы должен об­ ладать высокой прозрачностью в ИК-областп спектра для лин­ зовых систем и хорошей отражательной способностью в этой об­ ласти для зеркальных систем. Кроме того, материал должен быть достаточно прочен, хорошо обрабатываться, быть относи­ тельно недорогим и достаточно стабильным по своим свойствам. Для приборов, работающих вне помещения, материал оптиче­ ской системы должен быть также стойким к климатическим воз­ действиям (изменению температуры, влажности и т. д.).

Для изготовления линз, призм, пластин, фильтров можно применять прозрачные в инфракрасной области спектра материа­ лы, такие, как специальные сорта стекла, природные и синтети­ ческие кристаллы, пластмассы и др. (например, германии, крем­ ний и т. д). К сожалению, пока не имеется универсальных материалов, которые одновременно удовлетворяли бы всем пере­ численным выше требованиям. Поэтому во многих странах ин­ тенсивно ведутся работы по изысканию новых материалов и улучшению характеристик известных. Для того чтобы правильно выбрать материал для окна, фильтра пли линзы прибора ИКтехникп, нужно хорошо знать свойства всех материалов, проз­ рачных в ИК-области спектра, и уметь выбрать из них тот, кото­ рый наиболее полно удовлетворяет техническим требованиям, предъявляемым к данному прибору. Не всегда можно выполнить все требования. Так, например, иногда приходится выбирать бо­ лее прочный и влагостойкий материал с худшей прозрачно­ стью в ПК-области, нежели другой материал с лучшим пропус­ канием, но менее прочный и не обладающий влагостойкостью.

Рассмотрим свойства материалов, прозрачных в ИК-области спектра.

1. Стекла и кварц

Обычные оптические стекла пропускают инфракрасное излу­ чение только до 2,7 мкм. У кроиов граница пропускания лежит

158

около 2.6 мкм, а у флинтов — около 2,7 мкм. Кривые спектра пропускания некоторых оптических стекол в ИК-области приве­ дены на рис. 6.1. Сплошными линиями показано пропускание образцов стекла толщиной 1 мм, а пунктиром обозначена кривая среднего спектрального пропускания слоя стекла толщиной 1 см.

Обычные оптические стекла можно применять для изготов­ ления оптических систем приборов, работающих только в ближ­ ней ИК-области спектра, например, для приборов с прпемннка-

ми излучения типа фотоэлементов с внешним фотоэффектом или с электронно-оптическими преобразователями.

Для изготовления призм в спектральных приборах часто при­ меняют кварц. Кварцевые призмы используют до А, = 3,5 мкм, а тонкие кварцевые окна могут пропускать инфракрасное излуче­ ние до А. = 5 мкм. Оптические системы, линзы, призмы и окна изготовляют как из природного кристаллического кварца, так и из более дешевого плавленого кварца. Кривые пропускания плавленого и кристаллического кварца представлены на рис. 6.2.

Показатель преломления кварца с изменением длины волны излучения от 0,5 до 5 мкм меняется примерно от 1,55 до 1,4.

В последние годы созданы специальные стекла, прозрачные в более длинноволновой области ИК-спектра, чем обычные опти­ ческие стекла и кварц. Было установлено, что некоторые ком­ поненты, входящие в стекла, ухудшают их прозрачность в ИК-об­ ласти спектра. При замене этих компонентов окислами тяжелых металлов увеличивается пропускание силикатных и баритных сте­ кол в области спектра 2—5 мкм. Так, например, пропускание стекол Si02—Na20 —ВаО и Si02—Na20 —ZnO на длине волны

4 мкм достигает 60—80%. Еще лучшие результаты можно полу-

159

чпть с фтористоберилл левыми, теллуритовымп, алюминатны.ми и алюмокальциевымп стеклами: стекла AI2O3—СаО—MgO имеют на длине волны 4 мкм пропускание 80%, а стекло BeFo—I\F

AIF3 - 95%.

Весьма перспективной является группа сульфоселенпдных стекол. Эти стекла могут быть получены с прозрачностью до 12—14 мкм. Наиболее удачны стекла из трехсернистого, пяти­ сернистого и пятпселенпстого мышьяка. Кривые пропускания этих материалов показаны па рис. 6.3.

стекло известно под названием «сервофракс»; его применяют для изготовления линз, объективов и окон; для уменьшения потерь на отражение поверхность линз может быть просветлена.

Пятисернистые и пятиселенистые стекла — черные, с блестя­ щей поверхностью. Плотность стекол около 4,4 г/см3, температу­

прозрачны в диапазоне атмосферных «окон» 3—5 и 8—14 мкм. Температура размягчения стекла Si3As2Te5 около 350° С. Добав­ ление сурьмы (Sb) позволяет повысить ИК-прозрачность этих стекол (рис. 6.4). Разработаны стекла системы Ge—Р—S (гер-

160

манн» — фосфор — сера), стабильные при температуре 500° С и прозрачные до 5—7 мкм.

Стекла п кварц благодаря своим хорошим механическим свой­ ствам являются очень удобным материалом для изготовления оп­ тических элементов приборов ПК-техиики (окон, линз, призм и т. д.).

2 . Кристаллические материалы

Существует целый ряд кристаллов как природных, так и син­ тетических с хорошей прозрачностью в ИК-областн спектра. Эти кристаллы с самыми различными механическими, физическими и химическими свойствами могут оказаться удобным материалом для изготовления элементов оптических систем различных при­

стый калий КВг — мягкие, легко растворимые в воде кристаллы. Из-за высокой гигроскопичности кристаллы необходимо покры­ вать защитной пленкой; это ограничивает их применение. Кри­ сталлы NaCI, КС1 и КВг используют в основном для изготовле­ ния призм спектрометров. Призмы из этих кристаллов из-за хрупкости и гигроскопичности требуют очень осторожного обра­ щения. Их достоинством является пропускание излучения до 20—30 мкм, а также низкая стоимость.

Фтористый литий LiF представляет собой бесцветные кубиче­ ские кристаллы. Материал легко царапается и раскалывается, хорошо обрабатывается, в воде мало растворим. Из синтетиче­ ских кристаллов фтористого лития изготовляют окна и линзы для спектральной аппаратуры, работающей в области длин волн до 6 мкм (см. рис. 6.5).

Показатель преломления LiF меняется от 1,39 до 1,3 при из­ менении X от 0,7 до 6 мкм.

Фтористый кальций (флюорит) CaF2 — твердые бесцветные кубические кристаллы, не растворимые в воде. Флюорит приме­ няют в области длин волн до 9 мкм (см. рис. 6.5), его можно из­ готовлять синтетическим путем. Температура плавления CaF2—