第三章 直视型电真空成像原理

第三章直视型电真空成像原理3.1像管成像的物理过程像管实现图像的电磁波谱转换和亮度增强是通过三个环节来完成的:首先是将接受的微弱的或不可见的输入辐射图像转换成电子图像；其次是使电子图像获得能量或数量增强，并聚焦成像；第三是将增强的电子图像转换成可见的光学图像。上述三个环节分别由光阴极电子光学系统荧光屏完成。这三部分共同封在一个高真空的管壳内。像管成像原理如图3—l所示。3.1.I辐射图像的光电转换像管的输入端面是采用光电发射材料制成的光敏面。该光敏面接收辐射量子产生电子发射。所发射的电子流密度分布正比于人射的辐射通量分布。由此完成辐射图像转换为电子图像的过程。由于电子发射需要在发射表面有法向电场，所以光敏面应接以负电位。这一光敏面通常称为光阴极。像管中常用的光阴极有：对红外光敏感的银氧铯红外光阴极；对可见光敏感的单碱和多碱光阴极；对紫外光敏感的紫外光阴极。由于电子发射需要在发射表面有法向电场，所以光敏面应接以负电位。这一光敏面通常称为光阴极。像管中常用的光阴极有：对红外光敏感的银氧铯红外光阴极；对可见光敏感的单碱和多碱光阴极；对紫外光敏感的紫外光阴极。光阴极有透射型和反射型两种。像管中常用的光阴极是透射型的——半透明。必须在高真空中。光阴极进行图像转换的简要物理过程是：当具有能量为hv的辐射量子入射到半透明的光电发射体内，与体内电子产生非弹性碰撞而交换能量。当辐射量子的能量大干电子产生跃迁的能量时，电子被激发到受激态。这些受激电子向真空界面迁移，由于半导体中自由电子数量很少，所以产生自由电子散射的几率很小，只有在迁移中与晶格产生相互作用，由于声子散射而引起少量的能量损失；如果电了在到达真空界面仍有克服电子亲和势的能量，就可以发射到真空中，成为光电发射的电子。对具有负电子亲和势的光阴极，则不需要克服电子亲和势的能量。根据光电发射的斯托列托夫定律可知，饱和光电发射的电子流密度与人射辐射通量密度成正比。因此由入射辐射分布所构成的图像可以通过光阴极变换成由电子流分布所构成的图像。这一图像称为电子图像。3.1.2电子图像的能量增强像管中的电子图像通过特定的静电场或电磁复合场获得能量增强。由光阴极的光电发射产生的电子图像，在刚离开光阴极面时是低速运动的电子流，其初速由爱因斯坦定律所决定。这一低能量的电子图像在静电场或电磁复合场的洛伦茨力作用下得到加速并聚焦到荧光屏上。在到达像面时是高速运动的电子流，能量很大。由此完成了电子图像的能量增强。像管中特定设置的静电场或电磁复合场称之为电子光学系统。由于它具有聚焦电子图像的作用，故又被称之为电子透镜。3.1.3电子图像的发光显示像管输出的是可见光学图像。为把电子图像转换成可见的光学图像，通常采用荧光屏。能将电子动能转换成光能的荧光屏是由发光材料的微晶颗粒沉积而成的薄层。由于荧光屏的电阻率通常在10E+10—10E+14Ωcm，介于绝缘体和半导体之间，因此当它受到高速电子轰击时，会积累负电荷，使加在荧光屏上的电压难以提高，为此应在荧光屏上蒸镀一层铝膜，引走积累的负电荷，而且可防止光反馈到光阴极。像管中常用的荧光屏材料有多种。基本材料是金属的硫化物、氧化物或硅酸盐等晶体。上述材料经掺杂后具有受激发光特性，统称之为晶态磷光体。荧光屏是利用掺杂的晶态磷光体受激发光的物理过程，将电子图像转换为可见的光学图像。纯净而无缺陷的基质晶体一般是不具有受激发光特性的，只有掺入微量重金属离子作杂质时(如铜、银等)才具有较强的受激发光特性。这是由于杂质的掺入对相邻基质的能态产生微扰而出现了局部能级。由这些局部能级构成了受激发光过程所需要的基态能级。通常称之为发光中心。当像管中高速电子轰击荧光屏时，晶态磷光体基质中的价带电子受激跃迁到导带，所产生的电子和空穴分别在导带和价带中扩散。当空穴迁移到发光中心的基态能级上时，就相当于发光中心被激发了。而在导带中的受激电子有可能迁移到这一受激的发光中心，产生电子和空穴的复合而放出光子。所发射的光波波长是由发光中心基态与导带的能量差所决定。由于发光中心基态能级的分散，使辐射的波长具有一定的分布，通常掺杂的晶态磷光体的发光光谱呈钟型分布。像管中常用的荧光屏，不仅应该具有高的转换效率，而且它的发射光谱要和眼睛或与之耦合的光阴极的光谱响应相一致。实验证明，荧光屏由高速电子激发发光的亮度除与发光材料的性质有关外，主要取决于人射电子流的密度和加速电压值。当像管中电子图像的加速电压一定时，则荧光屏的发光亮度就正比于入射电子流的密度。由此可知，像管的荧光屏可以将电子图像转换成可见的光学图像。3.2像管的类型与结构用于直视成像系统的像管，具有多种类型。根据像管的工作波段可分为：工作于非可见辐射(近红外、紫外、X射线、γ射线)的像管，称之为变像管；工作于微弱可见光的像管，称之为像增强器。根据像管的工作方式可分为：连续工作像管；选通工作像管；变倍工作像管。根据像管的结构可分为：近贴式像管；倒像式像管；静电聚焦式像管；电磁复合聚焦式像管。根据像管的发展阶段可分为：级联式的第一代像管；带微通道板的第二代像管；采用负电子亲和势光阴极的第三代像管。1．近贴式像管近贴式像管的结构如图所示，光阴极在输入窗的内表面，荧光屏在输出窗的内表面，光阴极和荧光屏相互平行。在光阴极与荧光屏之间施加高压时，两电极间形成纵向均匀电场，由光阴极发射出的电子受电场的作用飞向荧光屏，由于间距很近(约lmm)，所以称为近贴聚焦的电子光学系统。近贴式像管是结构最简单的像管，荧光屏上成正像，且无畸变。但是由于受分辨力的限制，极间距离不能太大，又因为受场致发射的限制，极间电压不能太高，因此系统的亮度增益受到限制，象质也受到影响。2．静电聚焦倒像式像管它们都能形成轴对称的静电场。由静电场形成的电子透镜可使光阴极面上的物像发射出来的电子加速并聚焦于荧光屏上，并形成一倒像。常用的单级静电聚焦倒像式像管的结构在通常采用的双球面电极系统中，阳极头部曲面和光阴极球面以及荧光屏都是近似同心球面。由此构成近似的球形对称静电场，使轴外各点的电子主轨迹都是近似对称轴，从而使轴外象差如场曲、像散、畸变等都比双圆筒系统小。三级级联像管示意图在实际应用中，为了获得更高的亮度增益，将完全相同的单级像管，用光学纤维面板进行多级耦合。因此像管的输入窗和输出窗都是由光学纤维面板制成，以便将球面像转换为平面像来完成级间耦合。由于每级像管都成倒像，所以稠合的级数多取单数，通常为三级。该像管称为第一代像增强器。3．电磁复合聚焦式像管采用平面像场。在平面光阴极和荧光屏之间设置有环形电极，其上加有逐步升高的电压，沿管轴建立起上升的电位；同时管壳外设置有通以恒定电流的螺旋线圈而产生的均匀磁场，由此形成纵向的均匀电磁场。该电磁场使光阴极发射的电子加速并聚焦到荧光屏上成像。只要严格地控制电压和磁场，就可以得到良好的像平面，使荧光屏上获得较高的分辨力。但是由于复合聚焦系统结构复杂、笨重，给使用带来不方便。因此通常只在需要高性能的场合，如天文观察时才使用这种聚焦方式。4．选通式像管选通式像管是静电聚焦式像管。它是在普通二电极像管的结构上增加控制栅极而构成的控制栅极是由靠近光阴极的栅网和阳极孔栏组成。当栅极电位低于光阴极电位时，则形成反向电场使光电发射截止；当正电位的工作脉冲施加在栅极上时，则构成聚焦成像的电场。由此实现了选通式工作状态。选通式像管具有可控的间断工作功能。选通的工作方式有两种：单脉冲触发式工作；连续脉冲触发式工作。前者用于高速摄影中作为电子快门，后者用于主动红外选通成像与测距。选通式像管中另有一种类型，它增加了一对偏转电极。这对偏转电极设置在阳极锥体内，其上施加线性斜坡状脉冲电压使输出图像偏转，将连续选通的几幅图像在荧光屏上分开。这种像管也称为条纹管。5．变倍式像管能够改变倍率的像管称为变倍式像管。它具有可变放大率的电子光学系统。由于变倍的同时也必然使焦距发生变化，因此在普通像管内除了加变倍电极外，同时还需要加聚焦电极来补偿像面的变动，所以变倍式像管是四电极结构。5．变倍式像管改变像管放大率是通过改变加在像管电极上的电压比值来实现的。当阳极电位与变倍电极电位相同时，像管的放大率等于1；当阳极电位逐渐降低，而变倍电极电位保持不变时，像管的放大率随之下降；阳极电位由15kV调节到3kV时，像管的放大率由l变为0.2。同时还需改变调焦电极的电位来获得最佳聚焦，保持变倍时的成像质量。6．带有微通道板(MCP)的像管(第二代像管)第二代像管与第一代像管的根本区别在于：它不是用多级级联实现光电子倍增，而是采用在单级像管中设置微通道板来实现电子图像倍增的。微通道板是两维空间的电子倍增器。微通道板是由大量平行堆集的微细单通道电子倍增器组成的薄板。通道孔径为5一10μm。通道内壁具有较高的二次电子发射系数。在微通道板的两个端面之间施加直流电压形成电场。入射到通道内的电子在电场作用下，碰撞通道内壁产生二次电子。这些二次电子在电场力加速下不断碰撞通道内壁，直至由通道的输出端射出，实现连续倍增，达到增强电子图像的作用。近贴式MCP像管的结构微通道板近贴于光阴极和荧光屏之间。构成两个近贴空间。因此又称为双近贴式像管。由于采用了双近贴、均匀场，所以图像无畸变，放大率为l，不倒像。同样由于近贴，会出现光阴极、MCP、荧光屏三者之间的相互影响。第2代静电聚焦倒像式像管的结构微通道板与光阴极之间采用静电透镜，MCP置于电子透镜的像面位置；像管中还在阳极与MCP之间设置一个消畸变电极。由微通道板增强后的电子图像通过近贴聚焦到荧光屏上。由于在荧光屏上所成的像，相对于光阴极上的像来说是倒像，因此称为倒像管。微通道扳的输出端，由于连续倍增其电子密度较高、速度快，易于使像管内残余气体分子电离。如果电离产生的正离子轰击光阴极将降低像管的寿命。当微通道扳输入端电位低于阳极电位时，则形成一个防止正离子反馈的位垒。这个位垒一方面阻止正离子另—方面又收集微通道板端面上产生的二次电子，从而消除了光晕现象。由于微通道板本身具有高增益、增益可控、电流饱和等待性，因此第二代像管，无论近贴式或倒像式与第一代像管相比，均具有体积小、重量轻、亮度可调、防强光等优点7．负电子亲和势光阴极像管(第三代像管)第三代像管是采用了负电子亲和势光阴极的像管。电子亲和势（能）——晶格中原子捕获一个电子成为负离子所释放出的能量。由于目前还只能在乎面上制做负电子亲和势阴极，所以它的结构与第二代近贴式像管类似，其根本区别在于光阴极。第一代像管采用的是表面具有正电子亲和势的多晶薄膜结构的多碱光阴极．其光灵敏度约为250—550uA/lm；而第三代像管采用的负电子亲和势光阴极，它的光灵敏度高达l000uA/lm以上。因此第三代像管具有高增益、低噪声的优点。负电子亲和势是热化电子发射，光电子的初动能较低，能量又比较集中，因此第三代像管又具有较高的图像分辨力。由于这些特点使第三代像管成为目前性能最优越的直视型光电成像器件。8．X射线变像管和γ射线变像管X射线和γ射线变像管是分别将不可见的X射线图像和γ射线图像转换为可见的光学图像。此类变像管只比普通像管多了一个射线转换荧光屏(又称输入荧光屏)。射线转换屏位于射线变像管的输入窗内，它与外壳之间设置薄铝层以挡杂光；转移屏与光阴极之间靠很薄的玻璃耦合，以减小荧光图像的扩散。这一转换屏可将入射的x射线图像或γ射线图像转换为荧光的弱光图像，该弱光图像入射在光阴极上产生光电子图像。其后续过程与普通像管相同。x射线转换屏由X射线激发能发光的材料制成。目前国内通常采用ZnS：Ag(Pll)和(Cd，Zn)S：Ag(P2O)和CsI(TI)等材料。γ射线转换屏是由NaI(Tt)、CsI(TI)和CsI(Na)等闪烁晶体制成。3.3像管的主要特性与参数直视式光电成像器件是为扩展人限视力范围而发展起来的，它既能探测到微弱的或人眼不可见的目标辐射信号，又能将目标满意地成像，使人眼能看到再现的