Телефизионные наблюдения ИСЗ

Если трубка предназначается для  наблюдения предельно слабых объектов, целесообразно оценивать ее пороговую чувствительность минимальным количеством квантов или фотоэлектронов, регистрируемых при заданном времени накопления и уровне фона с заданной вероятностью.

Для изучения малоконтрастных объектов важную роль играет контрастная чувствительность трубки, т. е. ее способность обнаруживать минимальные различия в яркости или освещенности соседних участков изображения.

Спектральная чувствительность передающих трубок определяется спектральными  характеристиками применяемых в них светочувствительных слоев и пропусканием света материалами входных планшайб, на которые эти слои наносятся (Соболева и др., 1965).

В трубках с внешним фотоэффектом в основном используются четыре типа фотокатода, относительные спектральные характеристики которых приведены на рис. 3. Сурьмяно-цезиевый фотокатод (Cs₃Sb) имеет максимум чувствительности в области 0,4 мкм (квантовый выход на этой длине волны около 20%); граница чувствительности в красной области — около 0,7 мкм. Плотность темнового тока для этого фотокатода при комнатной температуре составляет примерно10^-15а/см².

Максимум чувствительности кислородно- цезиевого фотокатода (Ag — О — Cs) лежит в области 0,8 мкм (квантовый выход равен 0,3%); «красная» граница этого фотокатода — около 1,2 мкм. Плотность темнового тока при температуре 20 °С очень велика — порядка 10^-12 а/см².

У висмуто-серебря- но-цезиевого фотокатода (Bi-Ag-O-Cs) максимум спектральной чувствительности находится в области 0,5 мкм(квантовый выход около 10%); длинноволновая граница — около 0,7 мкм. Кривые его спектральной чувствительности имеют более пологий спад по сравнению с сурьмяно- цезиевым фотокатодом.

Чувствительность мультищелочного  фотокатода (например, (Na₂K) Sb- Cs) значительно выше чувствительности других фотокатодов. Его квантовый выход в максимуме чувствительности (на длине волны около 0,4 мкм) составляет 30—40% (Соболева и др., 1965). Мультищелоч- ной фотокатод имеет более широкую область спектральной чувствительности по сравнению с сурьмяно-цезиевым и вис- муто-серебряно-цезиевым фотокатодами. Граница его чувствительности в длинноволновой области равна 0,8— 0,9 мкм, а плотность темнового тока при комнатной температуре — около 10~¹⁶ а/см². Этот тип фотокатода является

наиболее распространенным в практике астрономического применения.

Кривые относительной спектральной чувствительности передающих трубок с внутренним фотоэффектом показаны на графике рис. 4. Они значительно отличаются друг от друга, что обусловлено различием характеристик материалов светочувствительного слоя.

Наблюдаемое изображение часто  имеет большие перепады яркости, правильное воспроизведение которых предъявляет высокие требования к широте линейного участка световой характеристики приемника света. В передающих трубках световая характеристика представляет собой зависимость тока сигнала на выходе трубки от освещенности светочувствительного элемента. Широта линейного участка у различных трубок различна и должна учитываться при выборе трубки для решения конкретной задачи.

Диссектор

Диссектор является передающей телевизионной  трубкой без накопления, в которой для преобразования световой энергии в электрическую используется внешний фотоэффект и электронное умножение фототока.

Оптическое изображение, проектируемое  на фотокатод, вызывает эмиссию фотоэлектронов, которые образуют непосредственно около фотокатода электронное изображение (рис. 5). Совместным действием ускоряющего электрического поля промежутка фотокатод — анод и магнитного поля фокусирующей катушки осуществляется перенос этого электронного изображения к аноду и его фокусировка.

Фотоэлектроны части электронного изображения, находящегося против отверстия в аноде, пролетают в это отверстие и попадают на первый динод умножителя. Усиленный фототок, пропорциональный освещенности соответствующего участка изображения на фотокатоде, является током сигнала.

С помощью двух пар отклоняющих  катушек, создающих взаимно перпендикулярные магнитные поля (скрещенные поля), производится смещение электронного изображения относительно отверстия в аноде (развертка изображения): по вертикали — с частотой кадров, по горизонтали — с частотой строк.

Возможно также осуществление  электростатической или комбинированной (скрещенными магнитным и электростатическим полями) развертки (Джонсон и Стэнли, 1972). Это несколько усложняет конструкцию трубки, так как требует введения отклоняющих пластин (подобно отклоняющим пластинам восциллографических трубках), но упрощает эксплуатацию прибора.

Разрешающая способность диссектора определяется размером отверстия в аноде, которое, в зависимости от назначения прибора, делают круглым, квадратным или прямоугольным. Чем меньше отверстие, тем больше разрешающая способность, но меньше чувствительность.

Чувствительность диссектора по сравнению  с другими передающими трубками чрезвычайно мала. Например, для  получения удовлетворительного  телевизионного изображения с разрешением 100 телевизионных строк на фотокатоде отечественного дисектора ЛИ-601 требуется создать освещенность около тысячи люкс. Увеличивая диаметр считывающего отверстия, можно несколько улучшить чувствительность диссектора, но при этом уменьшится его разрешающая способность.

Наиболее эффективным способом повышения чувствительности диссектора является предварительное усиление яркости с помощью электронно-оптических преобразователей.

Простота конструкции диссектора, отсутствие регулировок, линейная световая характеристика в диапазоне освещенностей более 1000: 1 и малая инерционность (порядка Ю-9 сек) делают его ценным прибором для создания автоматизированных телевизионных систем н систем с обработкой телевизионного сигнала в ЭВМ. Эти качества диссектора привлекают внимание астрономов. В последние годы в сочетании с электронно-оптическими преобразователями он используется для решения ряда задач наблюдательной астрономии.

В обсерватории Китт-Пик диссектор  применяется для гидирования  телескопа, а также для получения  изображений участков неба. Обработка и анализ полученной информации осуществляется электронной вычислительной машиной (Тифт, 1972; Хоаг, 1972). В Женевской обсерватории построена аппаратура с диссектором ITTFW/129 для автоматического гидирования телескопа (Понсет, Барт-хольци, 1972).

Для сканирования изображений спектров в Вискон-синском университете разработана  аппаратура однострочного разложения с диссектором F-4001, соединенным с трех- камерным преобразователем ITTF-4724 посредством волоконной оптики (Мак-Нолл и др., 1972). Изображение вдоль строки разлагается на 256 элементов и обрабатывается в ЭВМ. Разрешение аппаратуры составляет 0,1 -г-

4-0,2 А.

Аппаратура Ликской обсерватории также использует диссектор с трехкамерным преобразователем — для получения спектров галактик. Сканирующее отверстие в аноде этого диссектора представляет собой прямоугольник размерами 37 X 250 мкм. Изображение строки разлагается на 2048 элементов и обрабатывается в ЭВМ. С телескопом, имеющим диаметр зеркала 3 м_: получены спектры до 10^т. Широкое распространение диссектор с предварительным усилением яркости изображения получил в аппаратуре, работающей в режиме счета единичных электронов (Робинзон, Вамплер, 1972; Бёрбидж, 1972).

Суперортикон

Суперортикон относится к передающим телевизионным трубкам с внешним  фотоэффектом, переносом электронного изображения на двустороннюю мишень, накоплением зарядов и внутренним усилением тока сигнала. Суперортикон имеет наиболее высокую чувствительность по сравнению с другими передающими трубками, не имеющими предварительного усиления яркости.

Устройство суперортикона показано на рис. 6. Суперортикон состоит из трех основных узлов: секции переноса электронного изображения, секции коммутации (считывания) и секции вторично-электронного умножения.

Секция переноса изображения содержит полупрозрачный фотокатод, ускоряющий электрод и двустороннюю мишень с мелкоструктурной сеткой.

Образование электронного изображения  в суперортиконе происходит так  же, как и в диссекторе. В результате совместного действия ускоряющего  электростатического поля секции переноса и магнитного поля фокусирующей катушки  электронное изображение переносится  на мишень и фокусируется на ее поверхности.

Узел мишени является основным в  суперортиконе. Он представляет собой  металлическое кольцо, с одной  стороны которого приварена мишень 2 — полупроводящая стеклянная пленка толщиной около микрона, а с другой — мелкоструктурная металлическая сетка 3. Прозрачность сетки составляет 60—70%, число ячеек — 20— 30 на миллиметр. Расстояние между мишенью и сеткой, в зависимости от типа трубки, составляет от нескольких десятков до нескольких сотен микрон.

Фотоэлектроны, образующие электронное  изображение, под действием ускоряющего напряжения (300 - 700 в) с большой скоростью подлетают к мишени и выбивают из нее вторичные электроны. Часть из них оседает на сетке мишени, на которую обычно подается небольшой положительный потенциал (около одного вольта), а остальные, имеющие малые энергии вылета, возвращаются на мишень.

В результате вторично-электронной  эмиссии на поверхности мишени образуются и накапливаются положительные заряды. Чтобы избежать их растекания по поверхности, мишень изготовляется из материалов с достаточно большим удельным сопротивлением.

Если фотокатод освещен равномерно, то распределение зарядов на мишени также будет равномерное и  потенциалы всех ее участков будут  одинаковыми. Если же на фотокатод суперортикона спроектировать оптическое изображение какого-либо объекта, то распределение зарядов на мишени будет соответствовать распределению освещенностей в изображении. На мишени образуется так называемый потенциальный рельеф.

Преобразование потенциального рельефа  во временную последовательность импульсов (видеосигнал) происходит в секции коммутации. Она включает в себя фокусирующий и тормозящий (см. ниже) электроды 13, 4, а также электронный прожектор, предназначенный для создания узкого луча (пучка) электронов. Прожектор состоит из термокатода 15, управляющего электрода — модулятора 16 и анода 5.В последнем имеется отверстие диаметром в несколько десятков микрон, сквозь которое и проходит электронный луч.Анод имеет потенциал около 300 в 1), поэтому электроны, вылетающие из его отверстия, имеют большую скорость.

Электронный луч, фокусируемый на поверхности  мишени, поочередно соединяет ее участки с термокатодом трубки. Этот процесс называется коммутацией мишени, а электронный луч — коммутирующим. Отклонение электронного луча осуществляется с помощью внешних катушек 10, создающих магнитные отклоняющие поля, неперпедикулярные оси трубки. Фокусировка луча производится совместным воздействием на его электроны электростатических полей всех электродов трубки (в первую очередь поля фокусирующего электрода) и магнитного поля фокусирующей катушки 11. Коррекция положения электронного пучка на мишени осуществляется корректирующими катушками. Совокупность отклоняющих, корректирующих и фокусирующей катушек носит название фокусирующе-отклоняющей системы (ФОС).

Сечение (апертура) электронного пучка  определяет элементарную площадку на мишени или элемент разложения изображения. Образование тока сигнала одного элемента разложения происходит следующим образом.

Каждый элемент поверхности  мишени можно представить как элементарную емкость (шунтированную сопротивлением), обкладками которой являются противоположные стороны мишени. В то же время элемент мишени имеет емкость относительно сетки мишени. Эти емкости соединены последовательно между собой, причем емкость собственно элемента мишени гораздо больше его емкости относительно сетки. Так как при последовательном соединении емкостей заряды, накапливаемые на их обкладках, одинаковы, а разности потенциалов, образующиеся при накоплении зарядов, обратно пропорциональны величинам емкостей, то между сторонами элемента мишени установится очень небольшая разность потенциалов. Это означает, что на стороне элемента мишени, обращенной к прожектору трубки, возникает потенциал, почти равный потенциалу стороны, на которую падают фотоэлектроны.

Во время коммутации к элементу мишени подходит избыточное количество электронов по сравнению с необходимым для нейтрализации положительного заряда. Поэтому только часть электронов участвует в нейтрализации заряда элемента мишени, а остальные возвращаются в сторону электронного прожектора трубки, образуя отраженный пучок. Отраженный от мишени пучок электронов оказывается промодулированным зарядами мишени и его ток является током сигнала.

Для получения одинаковых условий  образования сигнала по всему полю изображения и уменьшения возможности вторично-электронной эмиссии с поверхности мишени при ее коммутации электроны коммутирующего пучкапри подходе к мишени тормозятся в электрическом поле тормозящего электрода. Совместное действие тормозящего электрода и выравнивающей сетки, устанавливаемой в некоторых типах суперортиконов для выравнивания поля тормозящего электрода, обеспечивает перпендикулярность падения электронного пучка на мишень с нулевой скоростью. Для электронов отраженного пучка тормозящий электрод (к нему подводится потенциал, равный нескольким десяткам вольт) создает ускоряющее поле, в котором они приобретают скорость, направленную к прожектору трубки.

Отраженный пучок, так же как  и коммутирующий, находится в  магнитных полях отклоняющих  катушек, поэтому на аноде прожектора он прочерчивает растр, в уменьшенном  размере повторяющий растр, прочерчиваемый коммутирующим пучком на мишени. Электроны отраженного пучка, подходя к аноду с большой скоростью, при ударе о него эмиттируют вторичные электроны. Расположенный около анода цилиндр умножителя с помощью приложенного к нему соответствующего потенциала способствует более полному отбору вторичных электронов и направлению их во вторично-электронный умножитель.