Телефизионные наблюдения ИСЗ

Секция вторично-электронного умножителя обычно состоит из 5—7 каскадов умножения, обеспечивающих усиление тока сигнала  в несколько сот раз. Первым каскадом умножителя считается анод прожектора. Выходным каскадом является так называемый коллектор, с нагрузки которого видеосигнал поступает в усилительный тракт телевизионной аппаратуры.

Большое влияние на качество изображения, воспроизводимого телевизионной системой с суперортиконом, оказывают шумы суперортикона. Основным источником шума являются статистические флуктуации тока коммутирующего луча. Уровень шума, вызываемого коммутирующим лучом, пропорционален корню квадратному из величины тока луча. При коммутации темных мест изображения считывающийпучок полностью отражается от мишени и обратный ток пучка составляет почти 100% от тока считывающего пучка, поэтому на темных местах изображения уровень шумов всегда больше, чем на светлых, которым соответствует меньший ток обратного луча. Отсюда следует, что при работе в условиях малых освещениостей и на пороге чувствительности трубки отношение сигнал/шум суперортнкона будет весьма низким. При оптимальной освещенности на светлых местах избражения отношение сигнал/шум суперортикона составляет для большинства трубок величину, равную 15—40.

За последние годы разработано  большое количество новых трубок (Нефедьев, Урвалов, 1970). Наибольший

интерес представляет разработанная II. Д. Галипским передающая трубка ЛИ-217. Параметры большинства выпускаемых в Советском Союзе суперортиконов приведены в табл. 1 (Кацнельсон и др.,^ч1970; Лейтес, 1970), а внешний вид некоторых из них — на рис. 9. В настоящее время в отечественной астрономии наиболее широко используются трубки ЛИ-211, ЛИ-214, ЛИ-217 (Абраменко и др., 1968).

 

 

 

Видиконы

 

 

Передающая телевизионная трубка видикон является электровакуумным прибором, в котором для преобразования световой энергии в электрическую используется явление внутреннего фотоэффекта (Гершберг, 1964).

Видикон имеет два основных узла: мишень, состоящую из слоя полупроводника и сигнальной пластины, и электронный прожектор (рис. 10). Сигнальная пластина наносится в виде тонкого прозрачного проводящего слоя на внутренней стороне плоскопараллельной прозрачной планшайбы. Поверх нее напыляется фотопроводящий слой толщиной в несколько микрон. Свойства фотопроводящего слоя определяют чувствительность, спектральную характеристику и инерционность видикона.

Существует два режима работы видиконов: режим быстрых и медленных электронов (Гуревич, 1958).

При работе видикона в  режиме медленных  электронов потенциал сигнальной пластины устанавливается на

несколько десятков   вольт выше потенциала катода. Для обеспечения  ортогонального падения электронного пучка на мишень на расстоянии 5 -^- 10 мм от ее   поверхности устанавливается выравнивающая сетка.  Мишень трубки можно представить как большое количество элементарных емкостей,   шунтированных  переменными  сопротивлениями. Каждая элементарная емкость образована двумя противоположными сторонами небольшого участка мишени, равного по площади сечению коммутирующего пучка.

При коммутировании неосвещенной мишени электронным пучком на ее поверхности устанавливается потенциал, равный потенциалу термоэмиссионного катода трубки. Тогда каждая элементарная емкость зарядится до величины, равной разности потенциалов между сигнальной пластиной и катодом.

 

Если на мишень проектируется оптическое изображение, то благодаря явлению внутреннего фотоэффекта переменное сопротивление, шунтирующее  каждую емкость,изменится пропорционально освещенности соответствующего участка мишени. В течение времени передачи кадра каждая из емкостей разрядится до определенной величины, обусловленной освещенностью мишени, и на стороне мишени, обращенной к прожектору, возникнет потенциальный рельеф. При последующей коммутации мишени электронный пучок снова зарядит частично разрядившиеся элементарные емкости до одинакового потенциала, но на этот раз ток заряда каждой из них будет пропорционален освещенности данного участка мишени. В результате этого через нагрузку, включенную в цепь сигнальной пластины, потечет ток, образующий видеосигнал.

У видиконов, работающих в режиме быстрых  электронов, отсутствует выравнивающая сетка, а потенциал сигнальной пластины устанавливается на несколько десятков вольт ниже потенциала анода, на который подается повышенное до 800 - 900 в положительное напряжение. Электроны коммутирующего пучка ускоряются электрическим полем анода и с большой скоростью падают на мишень, вызывая вторично-электронную эмиссию с ее поверхности. Вторичные электроны отбираются положительно заряженным анодом.

При коммутации неосвещенной мишени все ее участки заряжаются до потенциала анода (или коллектора) и между  сторонами мишени устанавливается  разность потенциалов, равная разности потенциалов между сигнальной пластиной и коллектором.

При освещении мишени все ее участки  разряжаются пропорционально их освещенностям и через сигнальную пластину течет суммарный разрядный  ток всех элементов мишени. Во время  повторной коммутации элементов  их потенциалы опять доводятся электронным  лучом до потенциала катода и через сигнальную пластину течет также и ток заряда коммутируемого элемента. Сигналом является разность токов, текущих по сигнальной пластине при коммутации двух соседних элементов мишени.

Чувствительность видиконов значительно  меньше чувствительности суперортиконов. Для большинства этих трубок требуются рабочие освещенности в несколько десятков люкс, чтобы передавать изображения с разрешающей способностью около 500—600 телевизионных строк.

 

Недостатком видиконов является также  их инерционность, которую принято оценивать снижением разрешающей способности при движении наблюдаемого объекта или величиной остаточного сигнала после прекращения освещения мишени, который обычно измеряется через интервал времени, равный одному кадру. В зависимости от типа трубки и освещенности мишени величина остаточного сигнала колеблется в пределах от 15 до 40%.

В отличие от суперортиконов, видиконы имеют меньший уровень шума и полезного сигнала, поэтому отношение сигнал/шум в астрономической телевизионной аппаратуре на видиконе определяется в основном уровнем шумов входного каскада предварительного усилителя.

Структура шумов, генерируемых видиконами, также отличается от структуры шумов  суперортиконов. Энергетический спектр шумов видикона смещен в область более высоких частот.

Свойства передающих телевизионных  трубок с внутренним фотоэффектом накапливать потенциальный рельеф и сохранять его в течение некоторого времени («запоминать» изображение) могут быть использованы для создания накопителей и запоминающих устройств.

Промежуточный накопитель на видиконе, т. е. накопитель, который в структурной схеме астрономической телевизионной системы находится между передающей телевизионной трубкой-, и видеоконтрольным устройством, с экрана которого производится фотографирование изображений с накоплением информации на фотоэмульсии, может копить потенциальный рельеф при воздействии на мишень светового потока либо при записи его электронным пучком.

В запоминающих устройствах на видиконах  образование потенциального рельефа также производится электронным пучком.

В этом случае на модулятор видикона подается телевизионный сигнал, который модулирует ток электронного пучка.

Для создания промежуточных накопителей  и запоминающих устройств применяются не обычные видиконы, предназначенные для преобразования оптического изображения в телевизионный сигнал, а специально разработанные для этих целей.

Данные некоторых отечественных  видиконов приведены в табл. 2 (Кацнелъсон и др., 1970; Лейтес, 1970; Глаз-ман и др., 1972). Малая чувствительность видиконов явилась причиной сравнительно редкого использования их в астрономических телевизионных системах. Обычно ви-диконы используются для наблюдений в ИК-области. У «инфракрасных» видиконов мишень изготавливается из соединений свинца, кривые спектральной чувствительности которых простираются до 1,8-^2,0 мкм (Хари и др., 1969). Отечественный видикон имеет максимум чувствительности в области 1 мкм, а граничная длина волны его равна 2,0 мкм (Артемьев и др., 1956).

Преимуществом видиконов является простота конструкции, малый вес и габариты, возможность применения в них различных материалов для мишеней. Разработана, например, серия видиконов с электростатической фокусировкой и отклонением луча, большим диаметром мишени и каскадным умножителем, которые имеют разрешение до 10 000 строк (Лубцинский и др. 1969), а также видико-ны, допускающие работу с малыми скоростями разверток (ЛИ-408) и многократное считывание накопленного заряда (Аванесов и др. 1969; Нефедьев, Урвалов, 1970).

 

 

 

Новые типы передающих трубок

 

 

В течение последних лет появились  новые передающие трубки, по ряду параметров превосходящие видиконы и суперортиконы. Наибольший интерес для астрономии представляют трубки типа изокон, секон, кремникон и плюмбикон. Конструкции  и принципы работы этих трубок имеют  много общего с видиконами и суперортиконами.

Изокон является модификацией суперортикона  и отличается от него лишь способом извлечения информации из электронного пучка после коммутации им мишени (Гуревич, 1958; Каррузерс, 1971). Для этого используется неоднородность пучка электронов, возвращающихся от мишени, поскольку в пучке содержатся две компоненты: зеркально отраженные электроны и рассеянные. Рассеянными являются те, которые после взаимодействия с мишенью отражаются от нее под углом, отличным от нормали, а также электроны, возникшие в результате вторично-электронной эмиссии. С повышением потенциала мишени количество рассеянных электронов растет и образуемый ими ток, пропорциональный глубине потенциального рельефа, используется в изоконе в качестве видеосигнала.

Зеркально отраженные электроны (не дошедшие до мишени или не вступившие с ней  во взаимодействие вследствие низкого потенциала данного элемента, соответствующего отсутствию освещенности на фотокатоде) возвращаются от мишени практически по тем же траекториям, по которым они двигались к ней. Рассеянные же несколько отклоняются от этого пути, что дает возможность отделить их. Для этого перед первым динодом электронного умножителя изокона устанавливается диафрагма, которая задерживает электроны зеркально отраженной части пучка. Рассеянные электроны проходят через отверстие в диафрагме и попадают на первый динод электронного умножителя.

Использование в изоконах части  электронного пучка, которая содержит только рассеянные электроны, увеличивает  отношение сигнал/шум примерно в 4 раза по сравнению с суперортиконом и расширяет рабочий диапазон освещенностей по крайней мере в 10 раз. При охлаждении до температуры —25° Сизоконы допускают накопление на мишени до 3 часов (Коуп, Луедик, 1966).

Недостатками изоконов являются необходимость  очень точной настройки и высокой  стабильности режима работы для надежного  разделения зеркально отраженной и  рассеянной компонент электронного пучка.

В конце 60-х годов передающие трубки типа изокон неоднократно испытывались в условиях астрономических наблюдений. С телескопом им. Ньютона (Гринвичская  обсерватория), имеющим диаметр зеркала 2,5 м, и изоко-ном была достигнута проницающая способность 18^т,5 при времени накопления 5 сек (Гровс, Корпс, 1969). Лоуренс и Зучино на телескопе с диаметром зеркала 1,5 м и с изоконом КСА 21 0930 при накоплении в течение 100 секзарегистрировали звезды 17^т (Лоуренс, Зучино, 1969).

Для регистрации спектров звезд  в Канаде на обсерватории Виктория была разработана аппаратура с применением изоконаР 850, работающего при накоплении 100 секунд Уокер и др. 1971, 1972).

 

В обсерватории Хейла (МаунтВилсон  и Паломар) испытывался изокон, совмещенный  с двухкамерным ЭОП. При наблюдении звезд на экране кинескопа и использовании 1,5-метрового телескопа удалось получить проницающую способность на 2™5 большую, чем при визуальных наблюдениях на том же телескопе (Деннисон, 1971).

Большой интерес для астрономии представляет передающая трубка плюмбикон, которая является разновидностью видикона. Фоточувствительный слой плюмбикона состоит из трех слоев окиси свинца. Слой, обращенный к прожектору, имеет «дырочную» проводимость, а обращенный к сигнальной пластине — электронную проводимость. Между ними находится чистая окись свинца, определяющая чувствительность и разрешающую способность трубки (Лейтес, 1970).

Плюмбиконы имеют высокое отношение  сигнал/шум, порядка 200 : 1, и чувствительность, превышающую чувствительность видикона. В отличие от видиконов чувствительность плюмбиконов не изменяется при изменении напряжения сигнальной пластины, поэтому на ней устанавливается фиксированный потенциал. Отличительной особенностью этих трубок является большая линейность световой характеристики и независимость темнового тока от напряжения на сигнальной пластине. Неравномерность поля в плюмбиконе для некоторых образцов не превышает 1 %. Плюмбикон имеет пониженную спектральную чувствительность в длинноволновой области. Кривая его спектральной чувствительности имеет максимум на 0,5 мкм и резкий спад в длинноволновой области спектра. Повышение чувствительности плюмбикона при астрономических наблюдениях достигается предварительным усилением яркости с помощью многокамерных электронно-оптических преобразователей. Совмещение плюмбикона с трехкаскадным ЭОП (с помощью промежуточной оптики переноса изображения) увеличило его чувствительность до 10~⁷лк(Тейлор, и др. 1969). Имеется сообщение о создании астрономической телевизионной системы, в которой используется плюмбикон с четырехкамерным ЭОП (Боксенберг, 1972).

Широко рекламируются для астрономических  наблюдений видиконы с мозаичной кремниевой мишенью (Грош, 1970), называемые силиконами или кремниконами. В отличие от видиконов, у которых мишень напыляется в виде аморфного слоя, в кремниконах используется мелкоструктурная мозаичная мишень. Она делается из кремниевой пластины, имеющей электронную проводимость (и-крем-ний). С одной стороны пластины вытравлено большое количество углублений, в которых диффузионным методом внедрен кремний с дырочной проводимостью (р-кремний). На границе между га-кремнием и ^-кремнием образуются р — п переходы (каждое углубление становится элементарным диодом).