Электроннооптическими преобразователями (ЭОП) называют электровакуумные приборы, преобразующие изображение, создаваемое на фотокатоде рентгеновскими, ультрафиолетовыми, видимыми или инфракрасными лучами, в электронное видимое изображение на флюоресцирующем экране. Целью такого преобразования является усиление яркости изображения, перенос изображения из одной спектральной области в другую, либо из одной плоскости в другую.

Схема простейшего ЭОП изображена на рис. 1. Он представляет собой стеклянный сосуд, вакуумированный до давления 1 ♦ 10~-1,5 10~ Па для беспрепятственного движения электронов. На одной стороне сосуда сделан полупрозрачный фотокатод, а на другой - флюоресцирующий экран. Между экраном и фотокатодом создается разность потенциалов порядка 10-15 кВ.

Объектив создает на полупрозрачном фотокатоде видимое или невидимое изображение объекта. Лучи, пройдя толщу катода, выбивают электроны из поверхности фотослоя, обращенной к аноду. Число эмиттируемых электронов каждой точки фотокатода пропорционально ее освещенности. В момент выхода электронов из какой-либо точки катода скорости их направлены во все стороны; благодаря же ускоряющему электрическому полю, находящемуся непосредственно за катодом, электроны стягиваются в узкий пучок, который приходит к экрану в точку, лежащую напротив точки выхода.

Бомбардировка электронами экрана вызывает свечение флюоресцирующего вещества и появление на экране видимого глазом перевернутого изображения наблюдаемого объекта. Отношение линейного размера изображения на

экране к линейному размеру изображения на фотокатоде называется электроннооптическим увеличением ЭОП и обозначается Г^. Так как энергия электронов приблизительно пропорциональна приложенному ускоряющему напряжению, яркость изображения на экране увеличивается вместе с ростом напряжения, что указывает на возможность работы ЭОП в режиме усилителя яркости.

Рис. 1. Схема простейшего ЭОП: / - объект наблюдения; 2 - объектив; 3 - изображение объекта на фотокатоде; 4 ~ полупрозрачный фотокатод; 5 - стеклянный баллон; 6 - электронное изображение объекта; 7 - экран.

Изображение, получающееся на экране, менее отчетливо, чем изображение объектов, создаваемое объективом на фотокатоде. Это объясняется тем, что каждая точка изображения на фотокатоде при переносе на экран преобразуется в небольшое пятно, называемое кружком рассеяния. Наличие кружка рассеяния объясняется тем, что электроны, вылетающие из какой-либо точки фотокатода, имеют различные направления начальной скорости. Перемещаясь в электрическом поле, электроны описывают разные траектории, так что на экране они собираются не в одну точку, а в небольшой кружок. Дальше всех удалены от оси электроны, вылетевшие из элемента фотокатода цод углом, близким к 90°, и имеющие наибольшую начальную скорость. Именно эти электроны ограничивают кружок рассеяния, диаметр do которого определяется формулой

(1.1)

где / - расстояние между экраном и фотокатодом; - анодное напряжение, В; (/ акс - наибольшая начальная энергия электронов, В.

Так, например, при / = 20 мм, = 10 ООО В и f/ aKc = = 1 В диаметр do равен 0,8 мм.

Диаметр кружка рассеяния определяет разрешающую способность ЭОП, под которой понимают число N пар линий (белой и черной) на 1 мм изображения на экране черно-белой стандартной миры, различаемых в четырех направлениях, при максимальной для наблюдения яркости экрана и окулярной оптике достаточного увеличения.

Разрешающая способность ЭОП, линии/мм, зависит от диаметра кружка рассеяния:

(1.2)

do

Диаметр кружка рассеяния, как следует из формулы (1.1), можно уменьшить, если увеличить напряжение и уменьшить расстояние / между экраном и фотокатодом. Однако при значительном увеличении возникает явление вырывания электронов электрическим полем, что приводит к дополнительной засветке экрана, уменьшающей контрастность изображения. При уменьшении расстояния / сверх допустимого значения возможен электрический пробой воздушного промежутка; кроме того, свечение экрана, находящегося на малом расстоянии от фотокатода, вызывает нежелательную фотоэмиссию, также ведущую к снижению контрастности изображения на экране. Поэтому для уменьшения размеров кружка рассеяния электронные пучки фокусируют посредством электростатического или магнитного полей *. ЭОП без фокусировки имеет очень низкую разрешающую способность. Изображение фотокатода в таком преобразователе переносится на экран без поворота и без изменения масштаба.

ЭОП с электростатической фокусировкой. Рассмотрим вначале движение электрона в однородном электрическом поле. На рис. 2, а изображен конденсатор с достаточно большими пластинами, так что поле между ними можно считать однородным. Нижняя пластина имеет положительный потенциал относительно верхней. Пусть по направлению АВ, параллельному пластинам, движется электрон

* Идея создания электроннооптического преобразователя была выдвинута в 1934 г. Холстом [104]. Несколько позднее (1936 г.) Зворыкиным В. К- была предложена конструкция преобразователя с электростатической фокусировкой электронов [134], а затем Кутерье Ф. и Те-весМ. С. [89] применили ЭОП с магнитной фокусировкой,

со скоростью Vq и в точке В попадает в поле конденсатора. В дальнейшем электрон движется по параболе

где и - разность потенциалов между пластинами конденсатора; е VI т - заряд и масса электрона соответственно; d - расстояние между пластинами; - начальная скорость электрона.

Рис. 2. Траектория электрона в однородном электрическом поле (а) и ход светового луча через стеклянную призму (б).

По выходе из конденсатора электрон перемещается по касательной CD к параболе в точке С. Как видно, траектория электрона в однородном электрическом поле искривляется ввиду того, что результирующий вектор скорости электрона, равный сумме векторов начальной скорости v(, и скорости ve, приобретаемой в электрическом поле, изменяет свое направление вдоль пути. Электрон стремится двигаться в направлении, противоположном направлению электрических силовых линий (перпендикулярно эквипотенциальным поверхностям, являющимся геометрическим местом точек с одинаковым потенциалом).

Для сравнения на рис. 2, б изображены стеклянная призма и ход светового луча abed через нее. Легко видеть, что конденсатор изменяет направление движения электро-

на так же, как призма изменяет направление светового луча. Конденсатор не обладает способностью создавать элект-роннооптическое изображение, подобно тому, как призма не может создавать оптическое изображение. Параллельно летящие с одинаковой скоростью электроны в плоском конденсаторе будут двигаться по эквидистантным параболическим траекториям.

Рис. 3. Фокусирующая система из двух коаксиальных круговых цилиндров (а) и ее оптическая аналогия (о).

Так как эквипотенциальные поверхности электрического поля представляют для электронных лучей преломляющие поверхности, можно, используя специальные электроды, придать этим поверхностям определенную форму и добиться таким путем фокусировки пучка электронов.

На рис. 3, а показана фокусирующая система, состоящая из двух соосных круговых цилиндров, и обозначены эквипотенциальные линии со значениями их потенциалов в процентах относительно потенциала правого цилиндра.

Семейство эквипотенциальных поверхностей поля, создаваемого парой коаксиальных цилиндров, фокусирует проходящие через него электронные лучи. Если проследить за траекторией ABCD электрона через рассматриваемое поле, можно заметить, что до средней плоскости ML поля, например, в точке В, электрон испытывает действие электростатической силы F, направленной к оси, в результате чего он отклоняется также к оси; в части поля, правее плоскости ML, например в точке С, электрон испытывает действие силы F, направленной от оси, но так как в этой части поля скорость электрона большая, отклонение его от оси будет значительно меньше по сравнению с отклонением к оси слева от плоскости ML.

Таким образом, проходя поле, создаваемое соосными цилиндрами, электронные лучи будут отклоняться к оси и пересекать ее. Оптическая аналогия такой электростатической линзы показана на рис. 3, б,