Передающие электронно- лучевые трубки

2.1 Электронно-лучевые трубки с внешним фотоэффектом.

СУПЕРОРТИКОН

Суперортикон является наиболее чувствительной из существующих передающих телевизионных трубок. Устройство и схема включения суперортикона изображены на рис.1а, а рис.1б поясняет принцип его работы.

Трубка 1 (рис.1а) находится в равномерном магнитном поле, создаваемом длинной фокусирующей катушкой 4. По характеру протекающих в трубке процессов ее можно условно разделить на три секции: переноса, коммутации и умножения.

Секция переноса электронного изображения обеспечивает создание на мишени 6 с сеткой 5 потенциального рельефа, соответствующего распределению яркости передаваемого изображения.

Ускоряющее напряжение между мишенью и фотокатодом 2 совместно с фокусируемым полем катушки 4 обеспечивает перенос фотоэлектронов с фотокатода на мишень и фокусировку электронного изображения в плоскости мишени. Точная фокусировка электронного изображения осуществляется регулировкой напряжения на фотокатоде (R ₁).

Так как секция переноса расположена около края фокусирующей катушки, где магнитное поле слегка сходится, перенос электронного изображения происходит с некоторым уменьшением его размера (на 15…20%). В процессе переноса изображения происходит также небольшой его поворот. При этом возникают геометрические и S-образные искажения изображения, обусловленные различным углом закручивания фотоэлектронов, вылетающих на разных расстояниях от центра. Для устранения этих искажений между фотокатодом и мишенью располагается цилиндрический электрод 3, называемый ускоряющим, на который подается отрицательное напряжение (с резистора R2) на несколько десятков вольт ниже, чем на фотокатод. Создаваемое ускоряющим электродом поле, влияя в основном на наиболее удаленные от центра электроны, изменяет их угол поворота, выравнивая его с углом поворота других электронов. Описанные условия работы секции переноса относятся к так называемому стандартному суперортикону, наибольший диаметр которого равен 75 мм (3 дюйма).

В несколько другом режиме работает секция переноса увеличенного суперортикона, диаметр которого равен 115 мм (4,5 дюйма). В этом суперортиконе используется такая же площадь фотокатода, как и в стандартном, что позволяет применять одинаковые объективы. Но перенос электронного изображения происходит с увеличением в 2,5…3 раза. Это достигается помещением около фотокатода короткой дополнительной фокусирующей катушки. Ускоряющий электрод имеет специальную форму в виде усеченного конуса.

Секция коммутации служит для формирования и отклонения электронного луча и считывания потенциального рельефа мишени. Анод прожектора 12 имеет небольшое выходное отверстие (до 50 мкм), что вместе с общей конструкцией прожектора обеспечивает образование тонкого луча с однородным распределением плотности тока по его сечению и малым числом электронов со значительными радиальными скоростями.

Электроны, вылетевшие из прожектора, попадают в сходящееся магнитное поле, которое переходит затем в равномерное, создаваемое фокусирующей катушкой 4. Из-за неточности механического монтажа прожектора в трубке электронный луч обычно не совпадает с направлением силовых линий продольного фокусирующего поля. В результате электроны луча получают радиальную составляющую скорости. Сам луч принимает вид спирали и подходит к мишени не перпендикулярно, а под некоторым углом, что вызывает искажения. Для устранения этого явления вблизи анода прожектора устанавливается специальная корректирующая катушка 11. Она состоит из двух пар взаимно перпендикулярно расположенных секций подобно отклоняющим (9). Изменяя силу и направление тока в секциях катушек, можно скорректировать несовпадение луча с продольным фокусирующим магнитным полем.

Выйдя из прожектора, электронный луч попадает в тормозящее электрическое поле, образуемое длинным фокусирующим электродом 8, выполненным в виде внутреннего покрытия стенки колбы токопроводящим слоем. Изменением напряжения на этом электроде (R5) обеспечивается точная фокусировка луча.

Между мишенью и фокусирующим электродом имеется электростатическая линза. В центре ее электрическое поле направлено продольно, но к краям оно искривляется, в нем появляется также радиальная составляющая. Поэтому по мере того, как луч при развертке отклоняется от центра, его электроны, проходя поле этой линзы, получают радиальную составляющую скорости. В результате этого под воздействием продольного магнитного поля электронный луч принимает спиральную форму и подходит к мишени не под прямым углом. Создаваемые вследствие этого искажения неравномерны по полю изображения. В центре они практически отсутствуют, а по мере приближения к краям изображения – возрастают.

Для уменьшения влияния этого явления между мишенью и фокусирующим электродом установлен специальный, так называемый тормозящий электрод 7. Его потенциал меньше, чем потенциал фокусирующего электрода, и подбирается таким образом, чтобы уменьшить кривизну поля электростатической линзы.

Рис. 1. Устройство и схема включения суперортикона

1 -трубка; 2 -фотокатод; 3 - ускоряющий электрод; 4 - длинная фокусирующая катушка;

5 - сетка; б - мишень; 7 - тормозящий электрод; 8 - длинный фокусирующий электрод;

9 - отклоняющая катушка; 10 - корректирующий электрод умножителя;

11 - корректирующая катушка; 12 - анод прожектора; 13 - вторично-электронный умножитель

По выходе из поля фокусирующего и тормозящего электродов электроны луча полностью теряют свою энергию и подлетают к мишени с нулевой скоростью. Происходит коммутация потенциального рельефа мишени. При этом часть электронов переходит на мишень, нейтрализуя ее заряд, а остальная часть - возвращается обратно в сторону катода. Обратный луч оказывается промодулированным по плотности в соответствии с распределением потенциального рельефа на мишени.

Возвращающиеся электроны луча попадают в ускоряющее электрическое поле, которое образуется тормозящим и фокусирующим электродами и анодом прожектора, потенциалы которых возрастают по направлению движения электронов обратного луча.

Секция умножения состоит из пятикаскадного вторично-электронного умножителя 13 для усиления тока обратного луча. Конструктивно умножитель выполнен в виде кольцевых динодов, имеющих жалюзи, которые окружают электронный прожектор.

Наружная поверхность анода прожектора одновременно является первым динодом умножителя. Около анода прожектора расположен корректирующий электрод (цилиндр) умножителя 10. Он, совместно с анодом прожектора и вторым динодом, образует электрическое поле, направляющее вторичные электроны с прожектора на второй динод.

Телевизионный сигнал, создаваемый суперортиконом, в отличие от других типов передающих трубок, имеет низкое отношение сигнал/шум (особенно при передаче темных участков изображения). Другим недостатком этой передающей трубки является "послеизображение", проявляющееся в наличии сигнала на ее выходе в течение длительного времени после прекращения передачи неподвижного изображения. Тем не менее, суперортикон находит и в настоящее время широкое применение в телевидении.

2.2 Электронно-лучевые трубки с внутренним фотоэффектом.

ВИДИКОН

Чувствительность передающих трубок, использующих внешний фотоэффект, кроме других причин, ограничена квантовым выходом, значительно меньшим единицы. Большой квантовый выход в фотопроводящих слоях позволяет создать передающие трубки, обладающие высокой чувствительностью, малыми габаритами и простые по конструкции. Конструкция такой трубки предложена еще в 1925 г. советским ученым А.А.Чернышевым. Однако создание фотослоев, обладающих малой инерционностью, требуемой равномерностью и высокой чувствительностью, связано с большими трудностями, поэтому первая трубка была создана только в 1950 г.По механизму образования сигнала такие трубки можно разделить на трубки с мишенями из высокоомных и низкоомных фотопроводящих слоев. Наиболее распространены трубки первого вида: видиконы (принятое в СССР наименование), статиконы, резистроны и люминоконы. По конструктивному оформлению и принципу получения сигнала они аналогичны.

Трубки с низкоомным фотослоем являются трубками мгновенного действия и в настоящее время находятся в стадии лабораторных разработок (1972г.)

Видикон является передающей телевизионной трубкой, в которой для преобразования световой энергии в электрическую используется внутренний фотоэффект.

Устройство современного видикона представлено на рис.2

Конструктивно трубка очень проста. Внутри стеклянного вакуумного баллона 1 на внутренней торцевой поверхности нанесена светочувствительная мишень 2, состоящая из полупрозрачной металлической пленки 3, называемой сигнальной пластиной, и тонкого фотопроводящего слоя 5, толщина которого не превышает нескольких микрон. В качестве фотопроводящего слоя применяется селен, трисульфид сурьмы, сернистый кадмий и другие фотопроводящие вещества. Сигнальная пластина соединяется с металлическим кольцом 4, которое вварено в стекло баллона и выведено наружу. Внутри трубки располагается также электронный прожектор, состоящий из катода 6, управляющего электрода 7, первого 8, второго 9 и третьего 10 анодов (в некоторых типах видиконов второй анод объединяется с третьим).

Третий анод выполняется в виде цилиндра и у мишени заканчивается мелкоструктурной тормозящей сеткой 11. Сетка применяется для того, чтобы обеспечить перпендикулярное падение электронов на фотослой по всей поверхности. Сетка обеспечивает равномерное тормозящее поле перед слоем и одновременно препятствует образованию ионного пятна на слое.

Рис.2. Конструкция видикона (а) и схема мишени (б, в)

Отклонение и фокусировка развертывающего луча осуществляется с помощью отклоняющей системы 12 и фокусирующей катушки 13, расположенных на баллоне. Кроме того, на баллоне расположены и корректирующие катушки 14, которые так же, как и в суперортиконе, обеспечивает совмещение оси электронного пучка с осью магнитного фокусирующего поля и, таким образом, исправляют дефекты сборки электронного прожектора (неточная установка электронного прожектора по линии оптической оси трубки).

Оптическое изображение с помощью объектива 15 проецируется на мишень. Эквивалентная схема мишени может быть представлена в виде элементарных емкостей C ₁, C ₂, … C _n, зашунтированных переменными резисторами R ₁, R ₂, … R _n. Величины сопротивлений этих резисторов определяются числом квантов света, попавших на данный элемент фотослоя
R = f (E). Поперечное темновое сопротивление фотослоя (около 10⁸ ом/см²) при освещении мишени может уменьшаться в 100 раз.

При работе трубки в режиме медленных электронов на сигнальной пластине устанавливается напряжение в пределах от 10 до 30 вольт по отношению к катоду. На катоде – нулевой потенциал, а на аноды подается напряжение порядка 300 В.

Когда оптическое изображение не проецируется на мишень, на левых обкладках элементарных емкостей – положительный потенциал U _сп. Электроны развертывающего луча, создаваемого прожектором, после прохождения через сетку тормозятся сильным электрическим полем. Поэтому при подходе к мишени они будут иметь нулевые скорости.

В момент прихода луча на правую обкладку элементарной емкости (допустим, С ₁), потенциал ее будет доведен до потенциала катода, так как фотосопротивление, обладающее высоким удельным сопротивлением (малой проводимостью), может рассматриваться как изолированный электрод. Следовательно, данная элементарная емкость в момент прихода луча заряжается до некоторого напряжения U. Вследствие большого сопротивления утечки R ₁, можно считать, что к моменту следующей коммутации сохранится прежняя разность потенциалов.

Если же на мишень проецируется изображение, то за счет внутреннего фотоэффекта сопротивление утечки каждой элементарной емкости изменится и будет пропорционально освещенностям элементов фотослоя, то есть получится рельеф проводимостей или сопротивлений. Вследствие этого, после ухода луча будет происходить ее разряд, и к моменту следующей коммутации потенциал емкости будет определяться освещенностью этого участка фотослоя. Электронным лучом потенциал правой обкладки опять доводится до потенциала катода. Так как каждая емкость разрядилась частично, до определенной величины, то зарядные токи при коммутации емкостей будут разными. Заряд емкостей сопровождается образованием тока сигнала.

Процесс образования потенциального рельефа носит инерционный характер и в сильной степени зависит от освещения мишени. С увеличением освещенности инерционность уменьшается.

Инерционность видикона является его недостатком и проявляется на изображении в виде тянущегося следа за движущимися объектами передачи, в размывании их контуров, потери четкости и снижении контрастности. Поэтому основной задачей усовершенствования видиконов была и остается задача снижения инерционности при одновременном повышении чувствительности.