Усилители яркости преобразователи изображения формирователи экспонирования Электронно-оптические преобразователи

Усилители яркости, преобразователи изображения, формирователи экспонирования: Электронно-оптические преобразователи

Электронно-оптические преобразователи hν Фотокатоды

Фотокатоды (продолжение) 2. Полупрозрачные D ~ 100 А квантовая эффективность 50% 25% квантовая эффективность 50% 10% 5% 2. 5% Cs. I мультищел. 1% 0. 1% чувствительность, м. А/Вт по материалам фирмы Hamamatsu I= s/T) Предельный ток вакуумного диода А - площадь W - работа выхода s 10% 5% 2. 5% Cs. Sb 1% мультищел. 0. 1% Ag-O-Cs длина волны, нм A·c·T 2·exp(-W 25% Темновой ток Ag-O-Cs o I (20 C), А/см l порог , нм 10 -12 (*) 1200 Na. KSb. Cs KSb 23 10 -15 10 -16 870 550 (*) ~107 e/(см 2 с), т. е. за 1 мкс с 1 кв. см 0. 01 -10 электронов Конечная проводимость фотокатода влияет на качество изображения Перенос фотокатода - изготовление фотокатода отдельно и затем монтаж в ЭОП

Свойства люминофоров

Усилители яркости Коэффициент преобразования каскада ЭОП - квантовый выход фотокатода (~10%) - квантовый выход люминофора (~15%) K = 50 - 70 ~ 20 кэ. В 4 э. В ~ 5 x 10 3 Съемка экрана ЭОП фотоаппаратом ~ 1/50 ~ 2% экран ЭОП объектив f. D , !!! однокаскадный ЭОП с фотоаппаратом не дают усиления !!! пленка Многокаскадный ЭОП фокусировка - электростатическая или магнитная полное усиление - до 108 , разрешение ~10 лин/мм hu ФК Л толщина окна определяет разрешение коэффициент усиления каскада К ~30 Варианты связи между каскадами: - вторично-эмиссионный динод (тонкая пленка из алюминия) - волоконно-оптическая шайба разные типы многокаскадных ЭОП (СССР)

Разновидности классических ЭОП

Усилители яркости Конструкция с обращением изображения (V 1366) на примере продукции фирмы Hamamatsu с близкорасположенными электродами (V 2697) Спектральная чувствительность фотокатодов * пропускание окон из разных материалов

Микроканальные пластины

МКП как детектор разных частиц

ЭОП типа ПМШ – пример конструкции

ЭОП в режиме регистрации фототока

ЭОП со щелевой развёрткой – стрик-камера

Диссектор Принцип действия - на фотокатоде при освещении создается электронное изображение - щелевая диафрагма вырезает малую часть этого изображения - напряжением на отклоняющих пластинах можно направить в щель электроны из заданной области на фотокатоде - за щелью находится обычный электронный умножитель - измеряется выходной ток -> если расположить диссектор на выходе спектрального прибора, то можно, подавая на отклоняющие пластины синусоидальное напряжение, получить на выходе периодическую развертку спектра свечения плазмы Измерение профиля линии Ha на установке ГОЛ-3 U, В d. I/dl 0 - синусоидальное напряжение на отклоняющих пластинах (развертка по спектру) - сигнал на выходе диссектора

Фотометрия фасеточных изображений Рассмотрим работу ЭОП с МКП в импульсном режиме с предельной чувствительностью. Доля сработавших каналов << 100% Изображение - не перекрывающиеся точки. Ф = DФ×n Ф 0 Ф DФ - поток от одной точки n - число точек на единицу площади !!! На точность измерения влияет статистика (малое число сработавших точек)

Применения ЭОП – быстрые электроны

Примеры диагностик – фотография ГОЛ-3 Плазма в диоде генератора пучка У -2 экспозиция 1 мкс (показана расчётная напряжённость электрического поля в МВ/см)

Примеры диагностик – ВУФ спектр Спектр ВУФ излучения плазмы вблизи линии La – 121, 6 нм в экспериментах на установке ГОЛ-3 ЭОП расположен на выходе вакуумного спектрального прибора экспозиция 1/30 с экспозиция 500 нс напряжение на ЭОП 1. 2 к. В снимок ЭОП до выстрела окно Li. F снимок ЭОП в выстреле напряжение на ЭОП 1. 4 к. В La 121. 6 нм

Примеры диагностик – видимый спектр Спектр излучения плазмы вблизи линии Ha – 656, 3 нм в экспериментах на установке ГОЛ-3 ЭОП расположен на выходе спектрального прибора по высоте щели с пространственным разрешением 600 O 4+(? ) N+ (? ) радиус хорды интенсивность, отн. ед. C + D 0 Da CII OV (? ) NB 0201 400 NB 0201: Ba ≈ 0. 1 Тл Bs ≈ 3 Тл R ≈ 31 200 0 200 NB 0202: Ba ≈ 0. 08 Тл Bs ≈ 3 Тл R ≈ 38 длина волны 0 -30 -20 -10 0 10 радиус хорды, мм 20 30

Примеры диагностик – рентгеновский ЭОП Задача - изучить воздействие мощного плазменного потока на конструкционные материалы термоядерных реакторов Схема измерений ГОЛ-3 Фотография экспозиция 0. 3 мкс через 3. 4 мкс от начала инжекции электронного пучка

Примеры диагностик – ВУФ ЭОП Съемка взрыва крупинки в плазме ВУФ обскурой крупинка CH 2, 0. 15 мг экспозиция 1 мкс ВУФ = Вакуумный Ультра. Фиолет, 10 -100 э. В Объемный взрыв Замагничивание ~3∙ 105 см/с, ~5 э. В Расширение: 3 D Термализация v ~ 3∙ 106 см/с 3 D -> 1 D 2 ms 1 D 6 ms 1 cm 4 ms PL 3477 ГОЛ-3 PL 3471 PL 3469

Спектральные приборы • Поглощающие фильтры • Интерференционные и поляризационные фильтры • Фильтры для рентгеновского и ИК диапазонов • Спектральные приборы с призмой • Спектральные приборы с дифракционной решеткой • Интерферометр Фабри-Перо • Спектрометры рентгеновского диапазона • Спектрометры с многослойными зеркалами • Рентгеновские спектрометры на кристаллах

Фильтры (определения) Т = Ф/Ф 0 – пропускание (зависит от длины волны) R = l 0/dl – разрешающая способность R = 10 -100 – низкая R = 103÷ 105 – средняя R > 106 - высокая Tmax/Tmin – контрастность (104÷ 108 – очень хорошая) полоса пропускания – интервал, для которого T > k∙Tmax (обычно k = 0. 5 или 0. 1)

Поглощающие фильтры • Фильтры из цветного стекла или других окрашенных твёрдых веществ • Газовые фильтры Поглощение света подчиняется закону • Жидкостные фильтры Бугера – Ламберта – Бера k – коэффициент ослабления l – толщина фильтра Кривые пропускания светофильтров, отсекающих коротковолновую область спектра: 1 - БС 4, 2 – БС 5, 3 - БС 7, 4 - БС 8, 5 ЖС 10, 6 - ЖС 11, 7 - ЖС 12, 8 -ЖС 16, 9 -ЖС 17, 10 -ЖС 18 Для жидкостных и газовых фильтров: С – концентрация, моль/л e 10 – молярный коэффициент экстинкции, (см·моль/л)-1 1 – вода толщиной 1 см 2 – раствор хлористой меди 2 см, 2. 5%

Фильтры ИК диапазона Метод фокальной изоляции (использование хроматической аберрации) Фильтр Вуда экран Фокальный монохроматор фокус в среднем ИК (n~2 для l~50 мкм) фокус в видимом свете (n~1. 5) Ø ~ 0. 5 мм перестройка длины волны Дисперсионный фильтр (фильтр Христиансена) взвесь мелких частиц (капель) одного вещества в другом пока n 1≠n 2, происходит сильное рассеяние света Na. Cl частный случай: порошок прозрачного вещества в воздухе, резонансные явления при размере частиц порядка длины волны обзор УФН, т. 25, 1941

СВЧ и ТГц фильтры Одиночная частотно-избирательная поверхность (ЧИП) Примеры амплитудных (1), (3) и фазовых (2), (4) спектральных характеристик моды Флоке для тонких медных сеток индуктивного и емкостного типов при разных значениях коэффициента заполнения a/g (толщина металлизации: t/g=1 10 -3; нормальное падение). LCR-модели сеток приведены на рис. (А) и (B).

Фильтры ИК диапазона - 2 Селективное отражение метод остаточных лучей – многократное отражение для «очистки» спектра и улучшения контрастности. Фильтр полного внутреннего отражения λ 2 λ 1<λ 2<λ 3 l 1 λ 3 λ 2<λ 3 l 2 расстояние между призмами порядка длины волны, коротковолновое излучение отражается λ 1 < λ 2 < λ 3 , λ 1 < l 1 < λ 2 , λ 2 < l 2 < λ 3 Отражение от матированных поверхностей излучение с l >> размеров шероховатости отражается зеркально излучение с l << размеров шероховатости рассеивается область применения: средний и дальний ИК диапазон, >20 мкм

Интерференционные фильтры Интерференция в тонких плёнках Δ если тонкая пластина в воздухе (n > 1, n 0 = n 1 = 1), то для отражённых лучей оптическая разность хода или максимумы интерференции при 2 nhcos(ψ) + λ/2 = m λ Интерференция для тонкого слоя для коэф. отражения R и пропускания T: амплитуда прошедшей волны: сдвиг фаз между волнами: в итоге: интенсивность прошедшей волны: R+T=1 (формула Эйри) • в максимуме I 2 = I 0 (волна проходит без потерь) • в минимуме пропускание зависит от коэффициента отражения: требуются высокие коэффициенты отражения

Интерференционные фильтры - 2 Многослойные диэлектрические зеркала проблема: мала величина R для диэлектриков, R ~ 0. 3 получаются для Ti. O 2 (n=2. 45) и Zn. S (n=2. 3) выход: многослойное покрытие слоёв из двух разных n 1 > n 2, n 1 > n, n 1 h 1 = n 2 h 2 = l/4 материалов [часто Zn. S (n=2. 3) и криолит Na 3 Al. F 6 (n=1. 35)] Если подобрать толщину слоёв, как на рисунке, то будет селективно отражающее зеркало. Для 9 -11 слоёв R ~ 0. 99, т. е лучше, чем у металлов (R ~ 0. 97 max. ) Для n 1 = √n весь падающий свет проходит (R ~ 0), т. е имеем просветление оптики. Многослойные диэлектрические фильтры интерференционные зеркала 1 0, 5 0. 5÷ 10 нм стекло (подложка, часто цветное) тонкий интерферометр Фабри-Перо (n 0 d = l/2) Tmax/Tmin до 104 λ /3 λ 0/2 λ 0

Боковые полосы пропускания 186 280 560 нм расчётное пропускание полуволнового слоя расчётный коэффициент отражения семислойных отражающих зеркал реально измеренная кривая пропускания нм • подавление побочных полос пропускания поглощающими фильтрами • рабочую длину волны можно подстраивать в синюю область, наклоняя фильтр

Полихроматор на многослойных фильтрах ГОЛ-3 диагностика томсоновского рассеяния !!! попадающий в канал спектр зависит и от пропускания всех предыдущих фильтров

Интерференционно-поляризационный фильтр П – поляризатор, К – двулучепреломляющий кристалл с осью под 45º (для обыкновенной и необыкновенной волн, зависят от длины волны) - доли ангстрема требуется выделение рабочей линии !!! Фильтр Лио: - оптическая длина следующего кристалла удваивается Пример реализации: …. - на линию Нa (l = 656. 2 нм) - 11 ступеней, dl = 0. 3 нм, R ~ 22000 - первые ступени из кварца, потом из шпата (n 1 -n 2) = 0. 01 и 0. 17, соответственно - проблема: нужна хорошая термостабилизация (дрейф ~0. 05 нм/градус)

Фильтры для ВУФ и рентгеновской области Пропускание в ближнем ВУФ диапазоне – оптические материалы материал кварц сапфир Ba. F 2 Ca. F 2 Mg. F 2 Li. F l, нм 150 142 130 118 110 100 * для тонкого окна, изготовленного из высококачественного материала Рентгеновский диапазон – тонкие поглощающие фильтры - фотоэффект ! энергия отсечки Е 0 – такая, что k (E 0)·d·ρ = 1 T =1/e 10 мкм Ве E 0 ≈ 1. 0 кэ. В опасны тяжёлые примеси ! скачки поглощения K, L, M, N… оболочки (К - внутренняя)

Полосовые рентгеновские фильтры Фильтры на скачках поглощения С ростом энергии пропускание растёт. Если энергия фотона начинает превышать порог возбуждения очередной электронной оболочки в атоме, то поглощение резко усиливается (скачок). Оболочки (от ядра): K L M N … Фильтры Росса Разность сигналов двух детекторов с фильтрами из элементов Z и Z+1. U 1 U 2 U 1 -U 2

Зеркала рентгеновского диапазона Наблюдается резкий рост коэффициента отражения зеркал при переходе к малым углам падения (относительно плоскости зеркала). Поэтому удаётся организовать селективное отражение для ряда задач (отсечка коротковолнового излучения). для разных углов падения влияние интерференционного слоя отражение в мягком рентгеновском диапазоне зеркало из алюминия, угол по отношению к плоскости зеркала угол падения 2º 10º коэф. отражения 72% 16% Зеркальную фокусирующую и поворачивающую оптику использовать можно, но только при касательном падении. Это приводит как к малой светосиле, так и к жёстким требованиям на точность изготовления поверхности и качество сборки.

Конец лекции