б. Сверхскоростная электронно-оптическая камера с линейной разверткой

В последние годы достигнут значительный прогресс в области высокоскоростной фотографии. Специальные камеры с линейной разверткой; содержащие электронно-оптические преобразователи и усилители света, способны регистрировать процессы пикосекундной длительности. Ввиду большого значения этих устройств, для лазерной техники рассмотрим их несколько подробнее. Электроннооптический преобразователь изображений (ЭОП) был создан в 1934 г. Хольстом и др. [31]. Он позволял видеть предметы, освещенные инфракрасным излучением. Принцип действия ЭОП проиллюстрирован на рис. 27.9. Инфракрасное изображение формируется на фоточувствительном катоде и выбивает из него электроны. Поток электронов ускоряется, формируется с помощью электростатической линзы (цилиндрического анода) и создает видимое изображение на люминесцентном экране. Преобразователи такого типа широко применялись в 60-х годах для визуализации пучков первых гелий-неоновых лазеров, работающих в близкой инфракрасной области спектра (1,15 мкм). Применение ЭОП в сверхскоростной фотографии началось в 50-х годах для регистрации процессов наносекундной длительности и в 70-х годах для регистрации пикосекундных процессов. Читателям, интересующимся этими вопросами, рекомендуем обширный обзор Смита [32].

В скоростной фотографии существуют следующие варианты систем с ЭОП:

1. Фотографирование одиночного изображения: в этом случае ЭОП снабжается соответствующим затвором.

2. Фотографирование процесса с заданными временными интервалами. Изображения регистрируются на движущейся кинопленке. Возможна также регистрация последовательных изображений на различных участках неподвижной фотопленки с помощью электростатических или магнитных отклоняющих систем. Такая регистрация называется покадровой.

3. Непрерывное фотографирование процесса на неподвижную пленку. К электростатической или магнитной отклоняющей системе прикладываются напряжение или ток, которые вызывают линейное во времени перемещение потока электронов по поверхности экрана. В этом случае говорят о системах с линейной разверткой.

Очевидно, ЭОП для покадровой съемки и системы с разверткой представляют собой более сложные устройства, чем преобразователь

Рис. 27.9. Схема действия электронно-оптического преобразователя. К цилиндрическому аноду прикладывается высокое напряжение около

схема которого изображена на рис. 27.9. Они должны содержать сетку для управления потоком электронов с фотокатода и электростатическую отклоняющую систему. В случае магнитной отклоняющей системы вблизи ЭОП помещают катушки, создающие магнитное поле. В некоторых ЭОП применяется магнитное формирование потока электронов. В качестве материала для фотокатодов чаще всего используют пленки (кислород-серебро-цезий), (сурьма-цезий) и (сурьма-цезий-натрий-калий). Указанные типы фотокатодов обладают чувствительностью в следующих областях спектра: — от 3000 до — от 3000 до — от 3000 до Фотокатод наносится непосредственно на внутреннюю поверхность стеклянного окна преобразователя. Число фотонов, испускаемых люминесцентным экраном преобразователя при попадании на него одного электрона, составляет от 700 до 1000. Таким образом, преобразователь способен значительно увеличить яркость изображения. Считая, что КПД фотокатода равен 10%, получаем коэффициент усиления света 70—100. В настоящее время выпускаются каскадные преобразователи с коэффициентами усиления света порядка сотен тысяч. Кортни-Пратт [33] впервые применил ЭОП для скоростной фотографии с разверткой. Излучение наблюдаемого процесса (взрыва) фокусировалось на узкую щель, а с нее на фотокатод ЭОП. Поток фотоэлектронов, переносящий изображение, - отклонялся магнитным полем в направлении, перпендикулярном щели. Изображение перемещалось по экрану ЭОП со скоростью 5 мм/мкс.

В 1950 г. в СССР был разработан преобразователь нового типа (Бутслов и др. [34], Завойский и Фанченко его схема изображена на рис. 27.10. Расстояние между отклоняющими пластинами значительно превышает ширину потока электронов. К ним прикладывается быстро изменяющееся напряжение, которое отклоняет поток электронов, так что он перемещается по металлическому экрану S с круглой диафрагмой. При слишком сильном отклонении потока изображение на экране исчезает. Эту систему

Рис. 27.10. Схема ЭОП с системой диафрагм и отклоняющих пластин [34, 35].

будем называть затвором. После прохождения через диафрагму 5 поток может отклоняться во взаимно перпендикулярных направлениях двумя парами пластин Отклонение электронного потока системой электродов приводит к тому, что импульс электронов приобретает поперечную составляющую и изображение на экране Р размывается. Чтобы избежать этого, в ЭОП устанавливают еще одну систему компенсирующих пластин К ним прикладывают напряжение той же амплитуды, что и к пластинам но противоположного знака. Разумеется, при подборе величины напряжения следует учитывать различную чувствительность указанных систем электродов. К ЭОП прикладывают высокое ускоряющее напряжение, чтобы свести к минимуму возможность образования электронного облака и разброс начальных энергий фотоэлектронов. Обычно эти энергии лежат в пределах от 0 до 1,5 эВ.

Дальнейшие работы Завойского и др. Коробкина и Щелева [37], Симонова и Кутукова [38] и др. привели к созданию ЭОП, способных регистрировать процессы наносекунд ной длительности.

Целый ряд работ в области камер с линейной разверткой и для покадровой съемки выполнен в Великобритании. Следует прежде всего упомянуть результаты Хьюстона и Уолтерса [39]. Они применили новый принцип действия первой отклоняющей системы. Этот принцип проиллюстрирован на рис. 27.11. К затвору прикладывается синусоидальное напряжение. На рисунке показаны величины «отпирающих» напряжений. К компенсирующим пластинам приложено напряжение с теми же амплитудой и частотой, но с некоторым сдвигом по фазе. Это обеспечивает приемлемую компенсацию и вместе с тем дает возможность различить на экране экспозиции в интервалах Ступенчатое напряжение, приложенное к отклоняющим пластинам, позволяет получить две развертки. Брэдли и др. [40], а также Басов и др. [41] разработали камеры с разрешающей способностью развертки порядка пикосекунд. Существенным усовершенствованием, предложенным в работе [40], было введение специальной управляющей сетки, расположенной очень близко к фотокатоду. К ней прикладывается напряжение от одного до нескольких киловольт. Схема подобной камеры

Рис. 27.11. Графики отпирающего, компенсирующего и отклоняющего напряжений в камере: а — напряжение на пластинах D, б - напряжение на пластинах в — напряжение на пластинах или

изображена на рис. 27.12. При ускоряющем напряжении напряженность поля вблизи фотокатода (без сетки) равна 420 В/см. Введение сетки с потенциалом увеличивает эту напряженность до 3,3 кВ/см. Сетка существенно улучшает разрешающую способность камеры. Следует добавить, что чувствительность отклоняющих пластин составляет около 400 В/см, а их емкость — около Для перемещения потока электронов на 7,5 см со скоростью от источника питания на отклоняющие пластины потребляется ток 20 А, а напряжение возрастает до за

На рис. 27.13 и 27.14 показаны конструктивные особенности и внешний вид камеры с разверткой и для покадровой съемки известной английской фирмы «Джон Хэдлэнд».

Однако лучшими считаются камеры фирмы «Электро-Фотоникс» из Северной Ирландии, созданные в сотрудничестве с группой Брэдли Они обладают разрешением порядка нескольких пикосекунд и регистрируют даже единичные фотоны, падающие на фотокатод. Они используются в комбинации с четырехкаскадным усилителем света, который нужен для того, чтобы ток фотоэлектронов в самом преобразователе (камере) был очень мал. Это устраняет деформацию изображения на люминесцентном экране и

(кликните для просмотра скана)

Рис. 27.14. Внешний вид камеры фирмы «Джон Хэдлэнд».

Параметры камеры: скорость развертки от до 1 нс/см. При работе в режиме покадровой съемки: 2. 106 кадров/с при времени экспозиции кадра 100 нс; кадров/с при экспозиции 20 нс; при экспозиции 10 нс.

повышает разрешающую способность. Камера типа фирмы «Электро-Фотоникс» имеет следующие параметры: длина развертки 4,5 см, длительность развертки от с до , управляющий импульс для запуска генератора отклоняющего напряжения имеет амплитуду 10 В и длительность 1 не, разрешающая способность

В СССР в группе Басова создан несколько иной тип сверхскоростной камеры с разверткой; камера получила название «пико-хрон» [43]. Поток электронов отклоняется аксиальным магнитным полем, а след на люминесцентном экране имеет форму спирали. Если камера регистрирует цуг пикосекундных лазерных импульсов, указанная спираль состоит из светящихся пятнышек. Ширина пятнышка является мерой длительности импульса, а расстояние между пятнышками характеризует периодичность появления импульсов.