Микроканальная пластина

Микрокана́льные пласти́ны (МКП) — вид изделий вакуумной микроэлектроники. Предназначены для работы в вакууме в качестве многоканальных детекторов, преобразователей и вторично-электронных усилителей пространственно-организованных потоков заряженных частиц и излучений. Основное применение — преобразователь и усилитель яркости изображения индивидуальных приборов ночного видения.

Содержание

Конструкция МКП и используемые материалы

МКП с конструктивной точки зрения — стеклянный диск, который состоит из микроканальной вставки (МКВ) и монолитного обрамления (МО). МКВ представляет собой сотовую структуру (для круглых МКП, обычно, в виде двенадцатиугольника с рифлеными границами) из множества (500—1000) регулярно расположенных и спеченных вместе шестиугольных микроканальных сот (МКС), а каждая сота состоит из множества (5000—10000) регулярно расположенных и спеченных вместе миниатюрных трубчатых каналов, диаметр которых может составлять 2—12 мкм, а плотность порядка (0,5—5)10 6 /см².

Материал МКП — свинцовосиликатные стекла (ССС): основное стекло матрицы МКВ (стенок каналов) и вспомогательное стекло, из которого выполнено МО. Существуют также необрамленные МКП, то есть без МО.

Благодаря специальному отжигу в водороде происходит термоводородное восстановление (ТВВ) оксида свинца PbO в составе ССС до металлического состояния Pb. Восстановление происходит, преимущественно, в поверхностном слое ССС, благодаря чему стенки каналов приобретают необходимую электропроводность.

На торцы МКП методом термического испарения в вакууме наносят металлические (хром, нихром) контактные электроды (КЭ), к которым подводится питающее напряжение минусом к входной стороне МКП и плюсом к выходной. Толщина КЭ составляет примерно 0,2—0,4 мкм. На входе и на выходе металлизацию заглубляют на небольшую величину в каналы.

Каналы МКП обычно наклонены на некоторый угол (4—13 градусов) относительно нормали к торцам. Наклон каналов существенно ослабляет ионную и фотонную обратную связь при работе МКП в качестве усилителя.

Базовым элементом МКП является трубчатый канал диаметром d, длиной l и калибром α = l/d. В поверхностном слое канала формируется резистивно-эмиссионный слой (РЭС) толщиной 200—300 нм, состоящий, в первом приближении, из двух слоев: верхнего очень тонкого (порядка 10 нм) эмиссионного слоя (ЭС) на основе кремнезема SiO₂, почти диэлектрического, обеспечивающего вторичную электронную эмиссию, и нижнего, более толстого, резистивного слоя (РС), в котором сосредоточен восстановленный свинец, благодаря чему РС обладает электропроводностью.

Вся конструкция должна быть механически прочной, с максимально-совершенной геометрической структурой каналов и минимумом структурных дефектов. Жесткие требования предъявляются к гладкости и чистоте поверхностей торцов и каналов.

Работа МКП

Работа МКП основана на принципе канального вторичноэмиссионного умножения электронов.

На канал подается через КЭ напряжение питания . Благодаря этому по РС в осевом направлении течет ток проводимости _n = , а во внутреннем пространстве канала возникает однородное электрическое поле с линейно нарастающим (в отсутствие электронной лавины) потенциалом φ() = _x. Напряженность этого поля направлена по оси канала от выхода ко входу. Это поле несколько искажается на входе и выходе канала (краевой эффект): характер поля здесь зависит от величины заглубления КЭ и внешних электрических полей.

Влетающий в канал электрон (или иная заряженная частица) вблизи входа сталкивается с поверхностью, осуществляя первое соударение. При этом, в среднем, выбивается σ₁ > 1 вторичных электронов (коэффициент вторичной электронной эмиссии, КВЭЭ при первом соударении). Вылетающие при этом вторичные электроны (ВЭ) имеют определенное энергетическое и пространственное распределение. В пространстве ВЭ распределены по закону косинуса, энергетическое распределение характеризуется максимумом при энергиях 1—3 эВ.

Попав в электрическое поле канала, вторичный электрон набирает энергию, увеличивает под действием осевой силы продольную (осевую) составляющую скорости _x, смещается вдоль канала к выходу, набирает энергию, а под влиянием поперечной составляющей начальной скорости _0y, на которую поле в канале не действует, он в то же время смещается и поперечно. В общем случае траекторией вторичного электрона является парабола, вид которой определяется начальными условиями (энергией и углом вылета электрона) и напряженностью поля в канале. В результате ВЭ вновь сталкиваются со стенкой и вновь генерируют вторичные электроны.

Указанный процесс повторяется многократно, и по каналу, умножаясь, быстро продвигается электронная лавина, которая через время порядка 10 −9 с оказывается на выходе канала. Число выходящих из канала электронов >> 1 от попадающего в канал одного электрона и есть коэффициент усиления канала.

Особенности МКП

Уникальность МКП состоит в том, что в единую компактную конструкцию в виде пластины объединено огромное число (несколько миллионов) регулярно размещенных и практически идентичных по геометрии и вторичноэмиссионным свойствам микроканальных усилителей. МКП, в целом, характеризуется высокой детектирующей и усилительной способностью, высоким пространственным разрешением (определяемым шагом каналов), высоким быстродействием, самонасыщенем усиления, удобством управления усилением, магнитоустойчивостью (благодаря малым скоростям и коротким траекториям электронов) и др.

Основные применения МКП

Благодаря комплексу уникальных свойств МКП все шире используются в самых различных областях науки и техники.

Основное применение МКП находят в приборах ночного видения (ПНВ). МКП — сновной функциональный элемент электронно-оптических преобразователей (ЭОП), используемых в приборах ночного видения (ПНВ). ЭОП, снабженный объективом, окуляром и источником питания представляет собой ПНВ. Основное назначение ПНВ — наблюдения, разведка, обеспечение вождения техники, обеспечение прицеливания в условиях пониженной освещенности на местности.

Функция распределения яркости по поверхности объекта ₀(х, у), несущая информацию об объекте, с помощью объектива ПНВ превращается в функцию распределения освещенности на фотокатоде ЭОП: на фотокатоде создается оптическое изображение объекта наблюдения.

С помощью фотоэлектронной эмиссии оптическое изображение объекта на фотокатоде преобразуется в электронное, распределение плотности фотоэмиссионного тока j₁(x, y). Электронное изображение с фотокатода фотоэлектронами передается на входную плоскость МКП и создает там распределение электронного потока j₁(x, y). Поскольку отверстия каналов занимают не всю площадь входа (прозрачность входа обычно около 0,6), то часть электронов на входе теряется, остальные поступают в каналы, усиливаются, и в выходной плоскости МКП создается усиленное электронное изображение j₂(x, y)=Mj₁(x, y), причем коэффициенты усиления каналов предполагаются совершенно одинаковыми. Это электронное изображение передается на люминесцентный экран, где и преобразуется в оптическое распределение яркости B_э(x, y), то есть визуализуется. При этом общее усиление по яркости B_э/B₀ достигает десятков тысяч, что и позволяет наблюдать объекты в условиях естественной ночной освещенности на местности.

Благодаря зависимости коэффициента усиления от напряжения питания, МКП используется в системе автоматической регулировки яркости (АРЯ) выходного экрана ЭОП в условиях достаточно высоких входных освещенностей (например, в условиях полнолуния). Принцип действия АРЯ: в цепь экрана ЭОП вводят резистор, по которому течет ток экрана (выходной ток МКП). Падение напряжения на резисторе используется как управляющее для снижения напряжения на МКП и, следовательно, её усиления.

Каналы МКП обладают уникальным свойством самонасыщения усиления при увеличении выходного тока. Это эффективно подавляет локальные по площади световые помехи (перегрузки), предохраняет оператора от ослепления, ЭОП от перегрузок, улучшает комфортность наблюдений.

Миниатюрность МКП способствует существенному уменьшению габаритов и массы ЭОП и ПНВ в целом, что важно для переносной аппаратуры, например, очков ночного видения, легких стрелковых прицелов. Военная техника ночного видения с середины 70-х гг. 20 в. в значительной степени основана на ПНВ на микроканальных ЭОП. Прогресс в области ПНВ и ЭОП существенным образом определяется прогрессом в области МКП. В свою очередь, развитие направления МКП стимулируется и направляется потребностями обеспечения и развития техники ночного видения. В настоящее время (2009 г.) МКП находят применение в ЭОП 2 поколения (инверторных), а также 2+, 3 и 3+ поколения (бипланарных).

Применение МКП не ограничивается техникой ночного видения. МКП используют в различных нестандартных ЭОП и оптико-электронных устройствах физико-аналитической аппаратуры. МКП с успехом используются в самых различных сферах и областях науки и техники: экспериментальной физике, аэрокосмической технике, атомной технике, неразрушающем контроле качества, биологии, экологии, медицине, астрономии и др.

Возможно построение электронно-оптических приборов для получения изображений, например, в рентгеновских лучах, в гамма-лучах, нейтронах. В этом случае МКП используется в комбинации со специальным катодом-преобразователем входных частиц (квантов) в электроны. Рентгеновские ЭОП с МКП широко используются в медицине для диагностики злокачественных опухолей. «Гамма-визоры» на МКП-приборах незаменимы для бесконтактного обследования зараженных радиоактивных местностей. Приборы наблюдения на микроканальных ЭОП (по типу ПНВ) эффективны для бесконтактного контроля высоковольтных линий передач путем визуализации разрядных утечек тока из-за нарушения качества изоляции. Благодаря сверхвысокому быстродействию, МКП-приборы находят важные применения в ядерной физике, физике плазмы, для изучения быстропротекающих процессов.

МКП, которые используют в физико-аналитической аппаратуре, отличаются разнообразием конструкций: круглые, квадратные, прямоугольные, полосковые, с центральным отверстием и др.

Уникальная многоканальная структура МКП может быть использована и в нетрадиционных применениях, например, в качестве фильтров-поглотителей ядовитых примесей выхлопных газов двигателей внутреннего сгорания, фильтров-опреснителей морской воды, биологических чипов и др. Сфера применений МКП непрерывно расширяется.

Вход МКП обладает определенной чувствительностью и к падающим частицам (ионам) и энергетическим квантам (ультрафиолет, рентген, гамма-кванты). для увеличения чувствительности вход каналов часто запыляют подходящим эффективным материалом. В этом случае вход каналов действует как детектор-преобразователь. За счет ионно-электронной, или фотоэлектронной эмиссии падающие частицы или кванты стимулируют эмиссию электронов на входе, которые затем обычным образом умножаются в каналах.

Это позволяет использовать МКП не только как электронный усилитель, но и как детектор-преобразователь-усилитель-счетчик входных событий (частиц, квантов), а многоканальная структура пластины позволяет осуществлять координатную привязку событий, что, в частности, позволяет идентифицировать положение объектов-источников в пространстве. Этот принцип используются в координатно-чувствительных детекторах (КЧД), конструкции и типы которых отличаются большим разнообразием.

Источник

Стандартные МКП

Основное применение микроканальных пластин (МКП) – приборы ночного видения. МКП – сердцевина электронно-оптического преобразователя (ЭОП), на котором строится прибор ночного видения (ПНВ). Поэтому свойства МКП в решающей степени определяют параметры ПНВ. ООО ВТЦ «Баспик» выпускает микроканальные пластины с каналами 4, 5, 6, 8, 10 мкм сложных конфигураций и различных габаритных размеров. Разброс диаметров каналов – не более 1,3%.

Технология изготовления микроканальных пластин ООО ВТЦ «Баспик» уникальна,
т.е. практически НЕ ИМЕЕТ АНАЛОГОВ в мире.

Пластины состоят из многожильных световодов.

На нашем предприятии имеется возможность изготовления пластин с малым диаметром канала, равным 4 мкм.

Расчетные формулы:
	Плотность каналов (см )
	Разброс диаметров каналов
	где σ(d) – СКВО диаметров каналов, а dc – среднее значение диаметров каналов.
	Прозрачность входа

Предел разрешающей способности МКП ООО ВТЦ «Баспик» практически НЕ МЕНЯЕТСЯ или МЕНЯЕТСЯ НЕЗНАЧИТЕЛЬНО с увеличением напряжения на МКП:

Пластины с диаметром каналов 4 и 5 мкм должны быть тонкими (250 мкм и менее). Производство ООО ВТЦ «Баспик» позволяет изготавливать такие МКП, сохраняя при этом форму пластины, в том числе после термообезгаживания. Мелкоструктурные МКП с диаметром каналов от 4 до 6 мкм и с толщиной от 213 до 294 мкм, изготавливаемые ООО ВТЦ «Баспик», сохраняют форму после термовакуумного обезгаживания при температуре от 420°С до 500°С в течение 24 часов и не трещат после механических испытаний.

Механическая прочность МКП позволяет использовать ее в электронно-оптических преобразователях, предназначенных для приборов ночного видения широкого спектра применения.

Результаты испытаний на конструктивно-технологический запас, которые регулярно проводятся ООО ВТЦ «Баспик», показали, что микроканальные пластины ООО ВТЦ «Баспик» по механической прочности соответствуют требованиям технических условий на МКП и выдерживают воздействие синусоидальной вибрации (при ускорении 10g, 15g и 20g, в диапазоне частот 1-1000 Гц и общем времени воздействия 6 часов – по 3 часа в двух взаимно-перпендикулярных направлениях), воздействие механического удара одиночного действия (при ускорении 300g, длительность ударного импульса 1-3 мс, количество ударов 10000, 15000 и 20000) и воздействие механических ударов одиночного действия (при ускорении 500g, 750g, 1000g и 1500g, общее количество ударов 6 – по 3 удара в каждом из двух взаимно-перпендикулярных направлений).

МКП ООО ВТЦ «Баспик» обладают очень малым газоотделением и большим сроком службы. При этом пластины не требуют очистки.

МКП в режиме зарядового насыщения обладают ХОРОШИМ ОДНОЭЛЕКТРОННЫМ АМПЛИТУДНЫМ РАСПРЕДЕЛЕНИЕМ со следующими характеристиками:

а) Амплитудное разрешение 100–125% и отношение Пик/долина 1,5–2, при этом МКП практически не имеют темновых сцинтилляций с энергией более 2е.

б) Фактор шума МКП в пределах 1,9 – 2,3.

Точный контроль и предупреждение отклонений гарантирует стабильное качество выпускаемой продукции.

Указания по применению МКП

Гарантии изготовителя

Гарантийный срок хранения:

Источник

Особенности микроканальных пластин

1 МКП. Производство. Принцип действия. Применение. 8

1.1 Особенности конструкции МКП.. 10

1.2 Базовый технологический способ изготовления МКП.. 11

1.3 Требования к качеству МЖС в технологии МКП.. 15

1.4 Совместимость стекол по вязкости. Температура вытяжки. 23

1.5 Воздействие внешних факторов на параметры МКП.. 25

1.6 Формирование и особенности электронного изображения МКП.. 30

1.7 Условие регистрации дефектов ЧПЗ ЭИ МКП.. 32

2 Качество изображения и ЧКХ.. 35

2.1 Теоретические модели. 38

2.1.1 Распределение по углам и энергиям. 38

2.1.2 Весовой коэффициент для бета-распределений. 40

2.1.3 Расчет траектории электронов. 40

2.2 Расчеты и обсуждение. 41

3 Методы измерения ЧКХ.. 48

Список использованных источников. 61

Приборами ночного видения (ПНВ) на основе электронно-оптических преобразователях (ЭОП) называются оптико-электронные приборы, позволяющие видеть предметы, неразличимые невооружённым глазом при низкой освещённости. Эти приборы делятся на две группы: приборы активного действия и приборы пассивного действия.

В приборах активного действия для получения изображений используется искусственная подсветка объектов светом ИК-прожектора. В приборах пассивного действия для наблюдения достаточно подсветки объектов, создаваемых естественным ночным освещением звёзд и Луны, как в видимой области, так и в инфракрасном диапазоне. Очевидно, что активные приборы менее чувствительны по сравнению с пассивными.

Использование ЭОП в ПНВ обладает рядом достоинств:

§ Позволяет видеть в полной темноте и при малых яркостях объектов;

§ Удаётся применять объективы, апертуры которых значительно больше апертуры (зрачка) адаптированного к темноте глаза человека, без снижения углового поля зрения;

§ Материалы фотокатодов обладают более высокой квантовой эффективностью (0.2) для белого света, чем квантовая эффективность глаза человека (0.05);

§ Свет на выходе ЭОП имеет достаточную интенсивность для того, чтобы можно было использовать высокую разрешающую способность, свойственную глазу, адаптированному к дневному свету;

§ Позволяет исследовать быстропротекающие процессы.

Как и любая другая система передачи и воспроизведения информации (СПВИ), прибор ночного видения испытывает ряд ограничений, связанных с рассеиванием информации при прохождении через оптические и электронно-оптические звенья прибора такие, как:

· Микроканальная пластина (МКП);

· Бипланарная электронно-оптическая система (БЭОС) МКП-экран;

· Экран (слой люминофора с металлизированной поверхностью);

· Выходная ВОП, на поверхность которой нанесён экран;

· Окуляр, с помощью которого рассматривается изображение на экране;

Помимо монокулярных приборов разработаны и бинокулярные ПНВ. Увеличение ночных биноклей составляет 3-6х.

В приборах пассивного действия в качестве ЭОП применят многокамерные усилители, чувствительные в видимой области и в ближнем инфракрасном диапазоне спектра.

В последнее десятилетие большое распространение получил объективный и теоретически обоснованный метод совместной оценки чёткости и передачи контраста СПВИ (её звеньев) – метод частотно-контрастноых характеристик (ЧКХ).

1 МКП. Производство. Принцип действия. Применение.

Здесь базовым элементом МКП является трубчатый канал диаметром d, длиной l и калибром a = l / d. И благодаря специальной обработке, на поверхности канала формируется резистивно-эмиссионный слой (РЭС), толщиной примерно 0,2-0,4 мкм, состоящий, в первом приближении, из двух слоев: верхнего очень тонкого (порядка 100 А 6 ) эмиссионного (обеспечивающего вторичную электронную эмиссию – ВЭЭ), почти диэлектрического на основе кремнезема SiО₂, и нижнего, более толстого, резистивного, в котором сосредоточен восстановленный свинец и который обладает проводимостью.

На канал подается напряжение питания U, и по РЭС канала течет ток проводимости I_п = U/R. Ток создает падение напряжения, и в канале возникает однородное электрическое поле с линейно нарастающим потенциалом φ(х) = (U/I) ´ х, напряженность которого Е = U/I направлена по оси х. Это поле несколько искажается на входе и выходе канала (краевой эффект): характер поля здесь зависит от глубины заглубления слоя КЭ и внешних электрических полей.

Влетающий в канал электрон вблизи входа сталкивается с поверхностью, осуществляет первое соударение. При этом, в среднем, выбивается σ1 > 1 вторичных электронов (коэффициент вторичной электронной эмиссии КВЭЭ при первом соударении). Вылетающие при этом вторичные электроны (ВЭ) имеют определенное энергетическое и пространственное распределение. В пространстве ВЭ распределены по закону косинуса, энергетическое распределение характеризуется максимумом при энергиях 1-3 эВ.

Попав в электрическое поле канала, вторичный электрон набирает энергию, увеличивает под действием осевой силы F = еЕ осевую составляющую скорости, смещается вдоль канала к выходу, набирает энергию, а под влиянием поперечной составляющей начальной скорости, на которую поле в канале не действует, он в то же время смещается и поперечно. В общем случае траекторией вторичного электрона является парабола, вид которой определяется начальными условиями (энергией U₀ и углом вылета θ электрона) и напряженностью поля в канале. В результате ВЭ вновь, сталкиваются со стенкой и вновь генерируют вторичные электроны.

1.1 Особенности конструкции МКП

Торцы МКП металлизируют (хромом, нихром) термическим испарением в вакууме для создания контактных электродов (КЭ), к которым подводится питающее напряжение. Толщина контактного покрытия составляет примерно 0,2-0,4 мкм. Покрытие заглубляют на определенную величину на входе и выходе каналов.

Каналы МКП обычно наклонены на определенный угол (4-13 0 ) относительно нормали к торцам. Вся конструкция должна быть механически прочной, с максимально-совершенной геометрической структурой каналов, минимумом структурных дефектов. Жесткие требования предъявляются к гладкости и чистоте поверхностей торцов и каналов.

МКП послужили основой развития новых типов и поколений различных электровакуумных электронных приборов и аппаратуры, которые находят все возрастающее применение в самых различных областях науки, техники, производства, управления, медицины, экологии и пр.

Однако основное применение МКП связано с техникой ночного видения. МКП послужили основой новых поколений ЭОП и ПНВ на ЭОП. Поэтому всю номенклатуру выпускаемых МКП делят на два больших класса:

• МКП для применения в составе ЭОП (ПНВ),

• МКП для применения в составе детекторов аналитической аппаратуры.

МКП для ЭОП представляет собой тонкий диск (толщиной 0,625-0,65 мм), состоит из микроканальной вставки и монолитного обрамления. Ее геометрическая структура каналов схематически представлена на рисунке 1.

Круглые отверстия каналов по торцам образуют правильную гексагональную структуру. Элементом этой микроструктуры является элементарный гексагон (правильный шестиугольник) из семи каналов. Вся структура есть повторение элементарного гексагона по рабочей площади пластины.

1.2 Базовый технологический способ изготовления МКП

На рисунке 3 показаны основные этапы базового технологического метода изготовления МКП, который сформировался в 70-х гг. с использованием основных принципов технологии жестких волоконно-оптических структур ВОП.

Метод состоит из следующих этапов:

— варка исходных стекол, резка их на заготовки, изготовление механической обработкой особо точных исходных комплектующих трубок и штабиков (ТИМО – трубка исходная механической обработки из стекла С87-2, ШИМО – штабик исходный механической обработки из стекла С78-5), а также колба спекания из стекла обрамления С78-4;

— изготовление перетяжкой (в масштабе примерно 1:50) исходных комплектов трубка-штабик (ТИМО-ШИМО) одножильных круглых стеклянных стержней (ОЖС), диаметр которых примерно 0,5-0,6 мм;

— сборка ОЖС в метровый шестигранный пучок ОЖС, размер которого по двойной апофеме составляет 35-45 мм;

— перетяжка пучка ОЖС (1:50) в многожильные стеклянные стержни (МЖС) шестиугольного сечения размером по двойной апофеме 0,7-0,8 мм;

— сборка блока МЖС (микроканального блока МКБ) в виде двенадцатигранника, длиной 50-100 мм и диаметром описанной окружности 20-30-45 мм (для типовых МКПО, применяемых в ЭОП);

— спекание МКБ в колбе из стекла обрамления в монолит при температурах порядка 600°С с приложением внешнего давления;

— резка спеченного МКБ на заготовки пластин, кругление, шлифовка, полировка, изготовление невытравленных заготовок (НВЗ) МКП с конструктивно-габаритными размерами конечной продукции;

— вытравливание опорной жилы НВЗ – изготовление вытравленных заготовок (ВЗ) МКП;

— термоводородное восстановление (ТВВ) заготовок – изготовление очувствленных ОВЗ заготовок МКП;

— металлизация торцов термическим испарением в вакууме;

— операции очистки (до и после металлизации, по необходимости);

— выходной контроль качества.

Все операции многозвенного техпроцесса сводят в этапы, а этапы в стадии:

1.Стадия изготовления ТИМО, ШИМО, колб спекания.

2.Стадия заготовительная: изготовление ОЖС, пучков ОЖС, МЖС, спеченных блоков МЖС.

3.Стадия мехобработки, изготовления НВЗ.

4.Стадия технохимической обработки, изготовления ВЗ.

5.Стадия физико-термической обработки, изготовление, очистка ОВЗ, МЗ МКП.

6.Стадия выходного контроля качества.

В технологии МКП большое значение имеют операции технического контроля качества продукции (промежуточные и финишные) и технологического контроля (режимов и условий осуществления техпроцессов).

Отличительные особенности принятого технологического метода:

— микроканальная структура формируется в несколько этапов в ходе индивидуально-групповой обработки: вначале индивидуально изготавливают ОЖС, затем МЖС, и только после спекания МЖС в блок становится возможной групповая обработка пластин;

— для сохранения круглой формы каналов, особенно по границам спекания, вводится вспомогательная опорная стеклянная жила, которая затем при обработке НВЗ МКП вытравливается (поэтому выбранный метод изготовления МКП часто называют методом УСЖ – удаление стеклянной жилы);

— последовательное формирование микроструктуры с учетом требований высокой идентичности каналов существенно повышает требования к прецизионности техпроцессов изготовления ОЖС, МЖС, спекания и т. д.

— своеобразная индивидуально-групповая обработка пластин с учетом требований по прецизионности технологии и идентичности свойств каналов имеет следствием особую организацию производства МКП;

— требования высокой чистоты поверхностей и совершенства структуры МКП имеют следствием достаточно жесткие требования к уровню электронной гигиены (ЭГ) в производстве МКП.

Основные материалы в технологии отечественных МКП:

— основное (рабочее) свинцово-силикатное (ССС) С87-2, из которого состоит МКВ, стенки каналов;

— вспомогательное боратно-бариевое стекло С78-5 удаляемой при изготовлении ВЗ жилы;

— свинцово-силикатное стекло монолитного обрамления С78-4.

1.3 Требования к качеству МЖС в технологии МКП

Микроструктура каналов микроканальной вставки МКП есть сумма микроструктур составляющих шестиугольную микроканальную соту (МКС). Она должна быть однородной и совершенной по рабочему полю зрения. Это означает следующее:

2. Все каналы в пределах микроканальной вставки (МКВ) пластины по своим геометрическим и физико-химическим свойствам должны представлять одну генеральную совокупность, выборками которой являются совокупности каналов в пределах МКС;

Учитывая особую роль, которую играют МЖС в технологии МКП, и особые требования, предъявляемые к ним, в 1994г. ВТЦ «Баспик» и ГП завод «Гран» разработали и выпустили ТУ на МЖС. в которых были регламентированы: типы МЖС для пластин различным диаметром каналов; требования к конструкции, структуре, внешнему виду другим показателям качества; требования к ОЖС и пучку ОЖС; правила приемки и контроля качества МЖС. Внедрение этих ТУ явилось серьезным шагом по пути дальнейшего развития технологии МКП, способствовало улучшению качества МЖС, изготавливаемых, на заводе «Гран». Основные требования к МЖС можно сформулировать следующим образом:

1.4 Влияние качества спая жила-оболочка в технологии МКП

Таким образом, проблема дефектности спая жила-оболочка уже явственно выявляется на стадии ОЖС. Трудно сказать, насколько существенно дефектность спая жила-оболочка в ОЖС влияет на дефектность МЖС, однако этим фактором, очевидно, никак нельзя пренебрегать, если рассматривать качество, рабочих поверхностей каналов МКП и влияние на него технологической истории. Весьма возможно также, что дефектность спая жила-оболочка в ОЖС далее на стадии МЖС стимулирует активизацию процессов дефектообразования, формирование структурных дефектов типа МКО и включений.

Таким образом, проблема качества спая жила-оболочка существует. Она заключается в том, что, с одной стороны, дефектность границы жила-оболочка может приводить к повышенной структурной дефектности МЖС и МКП и ухудшению качества поверхности каналов, отвечающего за основные функциональные характеристики МКП. С другой стороны, причины и факторы дефектов, механизмы дефектообразования к настоящему времени изучены недостаточно, что не позволяет, во-первых, достаточно достоверно и детально представить научно-технологическую картину явления, во-вторых, не позволяет наметить и реализовать практические меры по улучшению качества границы спая жила-оболочка.

Качество спая жила-оболочка определяется тремя группами факторов:

1.Физико-химические свойства исходных стекол.

3.Конкретные режимы и условия технологических процессов. Основные дефекты и процессы в спае жила-оболочка:

• Микрорастрескивание спая из-за неблагоприятной разницы ТКЛР стекол и возникновения коэффициентных термических напряжений, а также закалочных напряжений,

•Дефекты спая, связанные с дефектностью исходных стекол (камни, кристаллы, пузыри, свили)

•Выделение газов и образование пузырей,

•Кристаллизация и микрорасслаивание (ликвация) и как итог, опалесценция (т.е. рассеяние) на спае,

•Химическое взаимодействие, взаимодиффузия компонентов.

Анализ показывает, что эти дефекты и вызывающие их процессы во многих случаях взаимосвязаны и взаимообусловлены.

Например, вероятность микротресков по спаю при прочих равных условиях сильно увеличивается с наличием в зонах спаев структурных дефектов исходных стекол, с образованием пузырей, с кристаллизацией в спае, которая в свою очередь провоцируется взаимодиффузией компонентов и образованием новых соединений в зоне спая. Кристаллизация в спае зависит от чистоты спаиваемых поверхностей, от дефектности поверхностей, и (первопричина) от химического состава применяемых стекол.

С учетом указанной многофакторности причины и факторы природы реального спая жила-оболочка в световоде весьма трудно поддаются расшифровке. Мы далее последовательно будем рассматривать этот вопрос, сосредоточившись на главных вопросах. Такими являются:

а)общие вопросы теории вытяжки световодов,

б)прочность световодов и возникновение термических напряжений в спае,

б)взаимодиффузия компонентов в спае,

в)кристаллизация, ликвация, пузырение в спае,

г)дефектность исходных стекол

Предварительно еще раз подчеркнем, что качество световода, в первую очередь, качество спая жила-оболочка определяется двумя главными факторами:

•Свойствами исходных рабочих стекол,

•Принятым технологическим методом изготовления световодов и связанные с ними технологическими факторами

Соответственно, при решении задачи улучшения качества спая жила-оболочка мы неизбежно выходим либо на необходимость корректировки (даже замены) исходных рабочих стекол, либо на необходимость корректировки (даже замены) принятого технологического способа, либо на то и другое.

В наших условиях проблема должна быть решена при следующих ограничениях:

а)принятые рабочие стекла в основном сохраняются (допускается корректировка их параметров),

б)принятый трубка-штабиковый и пучковый метод изготовления ОЖС, МЖС сохраняется.

Следовательно, основной путь решения проблемы: тонкая подгонка технологического метода к свойствам исходных стекол, возможно, с определенной корректировкой свойств стекол. Это, разумеется, не отрицает структурных и (или) параметрических оптимизаций технологии, например, отказа от обкладки защитными стержнями пучка ОЖС и пр.

Совместимость рабочих стекол световодов. Качество световода существенно зависит от физико-химических свойств рабочих стекол, которые на вытяжке обрабатываются в едином техпроцессе и физико-химически взаимодействуют друг с другом при образовании и дальнейших обработках спая.

Совместимость стекол есть способность двух или трех рабочих стекол образовывать в световоде спаянную границу без возникновения в зоне спая кристаллизации, пузырения, опалесценции, микротрещиноватости и других явлений, приводящих к частичной или полной потере световодных свойств или даже к разрушениям (обрыву) световода.

Традиционные условия по совместимости стекол для изготовления световода ранее включали:

•отсутствие кристаллизации и ликвации каждого из стекла в температурном диапазоне изготовления световода,

Однако эти условия, как оказалось впоследствии, еще не гарантируют необходимого качества границы жила и оболочка.

Авторы подчеркивают, что к стеклам оболочки и жилы световода в технологии МКП предъявляются гораздо более жесткие требования, чем к самым высококачественным оптическим стеклам. Это в первую очередь относится к однородности, бессвильности, кристаллизации, пузырям, камням, любым другим инородным включениям, которые не позволяют получить идеальную границу Спая жила-оболочка, вызывают на границе рассеяние световых лучей (опалесценцию) и их поглощение, что приводит к уменьшению светопропускания световода. Указывается, что размер дефектов должен быть меньше ОДмкм или даже 0,05мкм.

Таким образом, необходимым условием образования качественного спая является применение высококачественных по однородности и отсутствию включений рабочих стекол.

Однако этого не достаточно для получения качественного спая. Надо знать, как стекла поведут себя при спаивании, а качество спая надо изучать не на модельных макроскопических образцах, а в реальных световодах и на реальных спаях, в зависимости от технологических факторов изготовления световода с использованием всего арсенала современной физико-аналитической аппаратуры с высоким разрешением.

Поэтому получение качественного спая в реальном световоде и в реальном техпроцессе есть важнейшее достаточное условие совместимости стекол.

В связи с этим авторы подчеркивают, что исследования совместимости пар стекол традиционными методами не дают полной информации о качестве спая жила-оболочка: необходимо исследовать сами волокна, реальную границу спая в реальных тонких световодах с привлечением всего арсенала высокочувствительных электронно-микроскопических и физико-аналитических методов.

1.4 Совместимость стекол по вязкости. Температура вытяжки.

Практический диапазон температур принятых рабочих стекол на вытяжке ОЖС и МЖС составляет 600-6400 С, когда вязкость стекол составляет примерно (1-0,1)*108 П. при этом оптимально, если вязкость стекол в этом диапазоне примерно одинаковая, либо вязкость жилы несколько больше вязкости оболочки.

Оптимальная температура на вытяжке подбирается из следующих соображений:

Вязкость не должна быть выше 1*108П (т.е. температура на вытяжке должна быть не ниже 6000С) во избежание повышения усилия вытяжки, проскальзывания световода в тянущем механизме с резкими флуктуациями размера, или даже когезионного обрыва световода на вытяжке.

Вязкость не должна быть ниже 1*107П (температура не выше 6400С) во избежание превалирования сил поверхностного натяжения над силами вязкого трения с каплеобразованием, оплавлением граней МЖС, капиллярным обрывом световода на вытяжке.

Вязкость жилы не должна быть существенно ниже вязкости оболочки, когда на вытяжке МЖС формируется четкая шестигранная форма сечения каналов.

Совместимость стекол по ТКЛР. Авторы рассматривают вопрос соотношения ТКЛР жилы и оболочки. В согласии с традиционной точкой зрения они указывают на необходимость иметь более высокий ТКЛР у жилы.

Идеальным в технологии МКПО был бы вариант, когда рабочие стекла имели бы одинаковый ТКЛР и большую температуру трансформации, чем стекло оболочки. На вытяжке ОЖС и МЖС это приводит к возникновению коэффициентных напряжений в спае жила – оболочка и также в спае с ЗС в МЖС. Это может быть причиной тресков и разрушений световодов, существенным фактором ухудшения качества спая жила – оболочка. Стандартные требования к ТКЛР стекол для изготовления световода: ТКЛР оболочки должен быть меньше ТКЛР жилы. При этом в оболочке будут более безопасные напряжения сжатия. В нашем случае отношение ТКЛР рабочих стекол обратное, что является предметом многолетних претензий специалистов стекловедов, работающих в области волоконной оптики. Тем не менее, указанная пара стекол используется уже более 20 лет, а изготавливаемые на ее основе МКП, затем МКПО имеют достаточно высокий уровень параметров. Тем не менее, разница, притом неблагоприятная ТКЛР рабочих стекол может быть существенным фактором появления микротресков по спаю, ухудшения качества границы спая жила – оболочка. В связи с этим необходимо помнить, что на выходе из печи световод претерпевают резкую закалку, которая всегда сопрождается поверхностным сжатием. Возможно, что этот эффект парирует от неблагоприятной разницы ТКЛР стекол.

Отметим, что такая значительная разность ТКЛР может быть только на стадии вытяжки ОЖС, когда мы имеем дело с исходными стеклами. После стадии МЖС вследствие взаимодиффузии в спае, разница в ТКЛР стекол жилы и оболочки в спае заметно уменьшается, а на спекании она даже меняет знак.

Следовательно, наиболее неблагоприятные условия по ТКЛР мы имеем на вытяжке ОЖС

1.5 Воздействие внешних факторов на параметры МКП

Интерес представляют исследования поведения МКП:

· на хранении в упаковке, в складских условиях,

· в результате термовакуумного обезгаживания,

· в результате прогрева на атмосфере,

· в результате различных дополнительных химических обработок.

Свойства и параметры МКП после изготовления не остаются неизменными. Они могут меняться под действием внутренних и внешних факторов. Действие внутренних факторов связано с тем, что к моменту изготовления МКП, физико – химическая система далека от состояния равновесия, и при хранении протекают различного рода выравнивающие физико – химические процессы. Внешние факторы – это контакт РЭС каналов с атмосферой в процессе хранения, влияние термообработок в различных средах, влияние физико – химических явлений в процессе работы каналов, химические воздействия на стенки каналов в процессе обработки МКП в техпроцессе изготовления ЭОП.

Поверхность каналов МКП на атмосфере всегда покрывается адсорбированными монослоями воды. Толщина полимолекулярной пленки воды достигает десятков мономолекулярных слоев. Она достаточна для существенного снижения сопротивления МКП при замерах его на воздухе и появлении характерных эффектов высоковольтной поверхностной поляризации. Благодаря ультропористости поверхности, вода адсорбируется не только на самой внешней поверхности, но и в порах. При наличии на поверхности окислов щелочных и щелочноземельных металлов при контакте с водой образуются щелочи, а при контакте с атмосферой углекислые карбонаты. В зависимости от атмосферной влажности и температуры возможна кристаллизация продуктов с образованием кристаллогидратов. Чужеродные загрязнения влияют на ВЭЭ в каналах путем изменения работы выхода и прямого участия в процессе зарождения, движения и выхода вторичных электронов. Если поверхность стенок каналов свободна от чужеродных загрязнений, то первостепенное значение имеют процессы гидротации верхнего слоя кремнезема.

В первые 1 – 4 недели хранения на атмосфере коэффициент усиления возрастает на 20 – 50 %, рабочее напряжение падает на 20 – 50 В. После этого изменения усиления МКП прекращаются. Что же касается сопротивления МКП и ЧПЗ, то эти характеристики практически не меняются на всем протяжении длительного атмосферного хранения МКП. Внешний вид МКП при атмосферном хранении в некоторых случаях ухудшается за счет появления субмикронных частиц, которые легко ликвидируются уже при умеренном вакуумном отжиге.

Степень увеличения усиления на начальном этапе атмосферного хранения можно использовать также как критерий состояния поверхности каналов, ее совершенства. В связи с этим можно отметить, что изменение усиления МКП ВТЦ “Баспик” в этих условиях не превышает 20%, а именно уменьшение величины рабочего напряжения не превышает величины 20 – 30 В. ПК и ВК на атмосферном хранении ведут себя идентично, в противном случае хранение отражалось бы на динамике СС.

Термовакуумное обезгаживание приводит к более или менее значительному увеличению сопротивления МКП, а во многих случаях и к уменьшению усиления. Одной из основных причин этого является нестабильная структура МКП. В результате ТВВ за счет образования дисперсной металлической фазы свинца на всей толщине стенок каналов структура матрицы пластин должна существенно меняться. Требуется тнрмостабилизация структуры МКП после ТВВ. В техноло- гии “Баспик” эта задача решается непосредственно в процессе операции ТВВ. После обработки в водороде пластины термо-обрабатываются в азоте. Такая термообработка решает сразу две задачи: во – первых, осуществляется достаточно глубокое термо- обезгаживание пластин, а стенки каналов в значительной степени освобождаются от образовавшейся в процессе ТВВ воды, во – вторых, протекают процессы релаксации структуры матрицы (МКВ) пластин. В результате снижается газосодержание МКП, и значительно повышается термостабильность параметров пластин. Если термовакуумное обезгажи-вание термостабилизированных таким образом МКП производится при температурах не выше температуры термостабилизации, то изменения сопротивления не превышают 5 – 10 %, а усиление, не только не падает, но, как правило, несколько улучшается.

Электронная бомбардировка стенок каналов, вызываемые ею явления в каналах при работе МКП, в конечном итоге, приводят к существенным изменениям в свойствах РЭС каналов и необратимому падению усиления.

При первоначальном включении МКП происходит электронное обезгаживание МКП, в процессе которого удаляются адсорбированные соли и легко диссоциирующие инородные поверхностные загрязнения каналов. Это приводит к падению усиления. Можно читать, что после электронного обезгаживания достигаются истинные вторично- эмиссионные свойства стенок каналов. Степень падения усиления – критерий чистоты стенок каналов и эффективности технологии в этом отношении. Электронное обезгаживание МКП в составе ЭОП – непременный компонент технологии изготовления микроканальных ЭОП.

При хранении на воздухе усиление частично восстанавливается вследствие адсорбции. Если продолжать наработку дальше, то усиление МКП остается стабильным, а с дальнейшей наработкой монотонно уменьшается. Конечный результат – снижение усиления – аналогичен явлениям при токовом насыщении усиления. Для повышения долговечности МКП необходимо удалить с поверхности каналов и верхнего эмиссионного слоя щелочные соединения. Кроме того, побочные остаточные загрязнения щелочными продуктами возможны и на операции травления жилы.

В настоящее время было исследовано поведение дефектов СС и РЗЯ на наработке МКП и при более кратковременном и относительно мощном электронном облучении. В процессе исследований была разработана и внедрена в производство методика ускоренной наработки МКП при испытаниях на долговечность.

Установлено, что электронное обезгаживание МКП, сочетаемое с ультрафиолетовым облучением входной поверхности, в ряде случаев эффективно ликвидирует брак по СС, повышая ее порог, если он был ниже нормативного в несколько раз. Это указывает на наличие загрязнений входа и выхода ПК в этих случаях, свидетельствует, что в силу ряда причин ПК загрязняются сильнее, чем ВК.

Эффективным методом является так называемое “темновое обезгаживание МКП”: обработка каналов МКП темповыми токами при подаче высоких напряжений, до 2 кВ в непрерывном режиме и нескольких десятков киловольт в режиме одиночных импульсов напряжения. Возникающие при прохождении темновых электронных лавин ионы эффективно очищают поверхность, причем режим обработки выбирается из условия исключения пробойных явлений.

В преобладающем большинстве случаев электронное обезгаживание и последующая наработка не приводят к снижению порога СС, или возникновению РЗЯ. ПК и ВК, как и каналы, принадлежащие различным МКС, ведут себя одинаково на наработке.

Облучение входа МКП достаточно интенсивным электронным потоком может стимулировать ряд явлений, связанных с зарядкой поверхности каналов:

·утомление, то есть обратимое снижение усиления, которое может быть различным для ПК и ВК, что приводит к снижению порога СС со временем облучения,

·“память” – явление, аналогичное утомлению,

·возникновение и устойчивое сохранение во времени сотовой структуры.

Все эти явления объединяет одно – зарядка поверхности каналов с возникновением сильного поперечного поля. В наиболее простом случае зарядка приводит к искажению поля в канале и падению усиления. Если эти параметры различные для ПК и ВК, то провоцируется появление СС при контроле ЧПЗ. Явление повторяется после кратковременного отдыха МКП. Если поверхность каналов загрязнена, то электронное разложение загрязнений и дрейф катионов приводит к более серьезным и длительным последствиям: провоцируется появление и устойчивое сохранение СС.

Основное значение имеет различная зарядка ПК и ВК при электронном облучении, поскольку именно этот фактор несет ответст-венность за снижение порога СС.

1.6 Формирование и особенности электронного изображения МКП

Если входной электронный поток однороден по площади, а усиления всех каналов идентичны, то яркость свечения экрана будет в первом приближении однородной по площади, не считая флуктуаций, связанных с промежутками между элементами. Такое электронное изображение МКП можно считать идеальным.

Реальное электронное изображение МКП отличается от идеального, прежде всего, с учетом структурного шума.. Качество электронного изображения, визуализированного на экране, в отношении любых неоднородностей (за исключением структурного шума) оценивается комплексным критерием – “чистота поля зрения” (ЧПЗ). Локальные и протяжные неоднородности яркости являются дефектами ЧПЗ ЭИ МКП.

Необходимо учитывать, что изображение на экране содержит также временные шумы, которые маскируют полезный контраст. Изображение единичного канала на экране и любых групп каналов не стационарно во времени, флуктуирует, что особенно заметно при малых плотностях входного тока и для малых элементов изображения. Флуктуации отчасти сглаживаются вследствие инерционности экрана и человеческого зрения. При достаточно малой плотности входного тока отчетливо проявляется дискретность изображения, состоящего из отдельных изображений каналов, число которых все время меняется из-за случайности попаданий входных электронов в каналы, связанной с шумами входного тока, а яркость которых флуктуирует из-за флуктуаций коэффициента усиления канала. В пороговых условиях временные шумы полностью маскируют полезный контраст изображения, и обнаружение объектов, прежде всего мелких становится невозможным.

Шумы МКП связаны с тремя основными факторами: случайностью проникновения первичных электронов в каналы, случайностью генерации электронов при первом соударении, случайностью вторично-электронного размножения электронов после первого соударения.

С учетом изложенного, контроль и нормирование дефектов ЧПЗ ЭИ МКП необходимо проводить в таких режимах, чтобы исключить влияние вредных шумов изображения.

1.7 Условие регистрации дефектов ЧПЗ ЭИ МКП

Любой объект на экране, в том числе и дефект ЧПЗ, создает на экране фигуру определенной формы, размеров и контраста.

Именно благодаря контрасту и становится возможным визуализация неоднородностей усиления, дефектов ЧПЗ. Можно сказать, что контраст это и есть тот полезный сигнал, который должен быть зафиксирован оператором.

Для регистрации этого контраста, необходимо выполнение следующих условий:

· разрешающая способность глаза с окуляром должна быть достаточной для различения малого объекта,

· величина контраста должна быть больше величины порогового контраста глаза, который составляет 0,03-0,05, при ярости поляадаптации не менее 5-10 Кд/м,

· отношение сигнал/шум в контрасте должно быть велико, чтобы можно было с достаточно высокой вероятностью физически выделить контраст на фоне временных флуктуаций изображения,

· время наблюдения должно быть не слишком малым для возможности “осмысления” фигуры на экране.

Временные шумы изображения на экране могут существенно занизить чувствительность регистрации полезных контрастов. Входной электронный поток при контрасте МКП создается термокатодом. Число вылетающих в единицу времени электронов флуктуирует как по величине, так и по направлениям вылета. Если каждый электрон, попав на вход МКП, даст начало электронной лавине, то аналогичный шум будет отмечен на выходном экране, куда вместо единичных электронов будут попадать пакеты электронов из каналов.

Рассмотрим дефект ЧПЗ ЭИ МКП типа СС. В наиболее простом случае СС формирует два ряда пограничных каналов (ПК) смежных МКС. Пусть число каналов на стороне МКС=38, тогда величина каналов в группе N=76. Значение фактора шума F=1 составляет идеально- нешумящей МКП, когда весь шум на выходном экране связан только с выходным электронным потоком.

Анализ этих выводов приводит к следующему:

· чем больше плотность входного тока, тем меньший контраст можно обнаружить с заданной вероятностью на фоне временных шумов,

· чем больше задается вероятность обнаружения контраста, тем больше должен быть контраст для обнаружения с этой вероятностью.

Предположим, что СС имеет контраст К=5%. Без учета временных шумов такой контраст уже можно было обнаружить с помощью глаз при достаточной яркости картины. С учетом временных шумов такой контраст можно обнаружить только при существенном увеличении плотности входного тока МКП.

Из изложенного следует, что чувствительность к обнаружению всевозможных дефектов ЧПЗ ЭИ МКП существенно возрастает с увеличением входного тока МКП.

2 Качество изображения и ЧКХ

Представим какой-либо излучающий объект, систему передачи и воспроизведения информации (СПВИ) и изображение объекта, которое создаёт СПВИ.

Возьмём малый элемент на поверхности объекта dS около произвольной точки (x, y, z). Яркость излучения этого элемента обозначим как B_o(x, y,z, λ, t) – функция яркости объекта, несущая информацию об объекте. СПВИ создаёт изображение объекта, которое характеризуется B_и(x, y, z, λ, t) – функцией яркости изображения.

Для упрощения задачи, во-первых, будем считать объект и его изображение плоскими, находящимися соответственно в плоскости объектов и изображений, во-вторых, будем пренебрегать спектральными и временными зависимостями. В результате функции яркости объекта и изображения будет иметь вид: B_o(x, y,) и B_и(x, y). Преобразование B_o в B_и и есть целевая функция СПВИ.

Простейшим примером такого преобразования может быть обычная лупа. Однако встречаются и более сложные СПВИ, состоящие из ряда оптических, электронно-оптических, фотографических, телевизионных, радиотехнических и других звеньев. При этом возможно масштабирование, спектральное преобразование, усиление по мощности, кодирование, декодирование изображение, их запоминание, передача изображений на расстояния и прочее.

Таким образом, конечная задача СПВИ – это обеспечение возможно более точного соответствия между предметом и его изображением, то есть, между функциями яркости объекта и изображения.

Это соответствие может быть физически точным или, что чаще, физиологически точным, то есть с точки зрения критериев и ограничений человеческого глаза.

Чем лучше решена эта задача, тем выше качество изображения и качество СПВИ.

Абсолютно точное соответствие между функциями объекта и изображения в принципе невозможно. В любой реальной СПВИ всегда происходят, во-первых, потери некоторой части информации об объекте, во-вторых – некоторые искажения передаваемой и воспроизводимой информацией. Это справедливо как для всей СПВИ, так и для каждого звена в отдельности. Потери имеют разную природу:

1. Геометрические потери (дисторсия) : форма фигуры изображения или его частей отличается от формы фигуры объекта или его частей вследствие изменения масштаба (увеличения) по полю зрения;

2. Наиболее мелкие детали объекта исчезают, теряются, не воспроизводятся в изображении, видны нечётко, их границы и края несколько размыты;

3. Детали изображения, которые воспроизводятся, виды нечётко, их границы и края несколько размыты;

4. Детали изображения различаются по яркости в меньшей степени, чем аналогичные в объекте (перепады яркости в изображении меньше, чем в объекте)

5. В изображении имеют место ложные детали, дефекты;

6. Изображение становится зернистым, флуктуирует во времени.

Дисторсия в бипланарных ЭОП 2+ и 3 поколения отсутствует. Искажения вида 2-4 можно обобщить как потери в чёткости и контрасте (они в некоторых отношениях взаимосвязаны). Искажения вида 5 – это дефекты, связанные с качеством СПВИ (дефекты чистоты поля зрения ЧПЗ) и внешними помехами. Искажения вида 6 связаны с шумами входного сигнала (функции излучения объекта) и СПВИ или её звеньев и становятся определяющими при малых уровнях входных сигналов, при работе СПВИ в пороговых условиях.

При достаточно большом уровне интенсивности входного сигнала, когда шумами можно пренебречь, качество изображения СПВИ определяется, главным образов, свойствами чёткости, передачи контраста и ЧПЗ.

Под действием ускоряющего напряжения в коротком фокусе электроны от GaAs фотокатода переносятся к входной поверхности МКП. Так как МКП имеет конечную прозрачность, то наблюдается рассеяние электронов при столкновении со стенками каналов. На входную поверхность МКП, применяемой в ЭОП третьего поколения, наносится ионно-барьерная пленка, которая оказывает влияние на эффект гало. Электронное рассеяние вызывает как стенки каналов, так и ионно-барьерная пленка. Так как мы в основном исследуем в данной работе ЧКХ системы входного промежутка, влияние электронного рассеяния не рассматривается. Описав траекторию фотоэлектронов, испущенных от GaAs фотокатода во входном промежутке, рассчитывается распределение электронов по входной поверхности МКП, а именно функция рассеяния точки (ФРТ). Затем из интеграла ФРТ можно получить функцию рассеяния линии (ФРЛ). Наконец численно рассчитывается ЧКХ при помощи преобразования Фурье ФРЛ, и аппроксимируется расчетная кривая ЧКХ. Данное исследование обеспечивает теоретическую основу для дальнейшего развития техники ночного видения, работающей при низком уровне освещенности.

2.1 Теоретические модели

2.1.1 Распределение по углам и энергиям

Для ЭОП 3-го поколения энергетическое распределение первичных фотоэлектронов, испущенных GaAs фотокатодом, не имеет согласованных теоретических моделей. В настоящее время существует две модели энергетического распределения первичных фотоэлектронов: бета-распределение и распределение Максвелла. Распределение Максвелла – характеризуется большими разбросами энергий относительно среднего значения. Такое распределение не наблюдается на практике при применении GaAs фотокатодов. Таким образом, максвелловское распределение не подходит для применения, и используется бета-распределение. Выражение для бета-распределения следующее:

Здесь, ε и ε_m, начальная энергия и максимальная начальная энергия фотоэлектронов, соответственно. Бета-распределения представлены на Рисунке 4. В электронно-оптических системах изображения распределение начальных углов для фотоэлектронов, испущенных GaAs фотокатодом подчиняется ламбертовскому распределению. α – угол между направлением движения фотоэлектронов, испущенных от GaAs фотокатода, и нормалью к поверхности фотокатода. Фототок на единичный угол пропорционален косинусу прилежащего угла α, и отношение имеет следующий вид:

Рисунок 4. Схематическое изображение β-распределений

2.1.2 Весовой коэффициент для бета-распределений

Во время численных расчетов мы разделили диапазон начальных энергий фотоэлектронов, испущенных GaAs фотокатодом, на несколько энергетических диапазонов. Количество электронов в каждом энергетическом диапазоне следующее:

Где ξ = ε/ε_m. ξ_a и ξ_b – границы каждого энергетического диапазона. ΔN (ξ_i) – весовой коэффициент электронов каждой траектории. А именно, число электронов в каждом диапазоне энергий зависит от численного значения ΔN (ξ_i).

2.1.3 Расчет траектории электронов

2.2 Расчеты и обсуждение

Когда идеальный точечный источник облучает GaAs фотокатод, возбуждаются фотоэлектроны в подложке. Частично возбужденные фотоэлектроны испускаются с фотокатода после серии соударений. Под действием ускоряющего напряжения в микрозазоре фотоэлектроны перемещаются к входной поверхности МКП, как показано на Рисунке 5; α – прилежащий угол, представленный в Уравнении (2).

В расчетной модели фотоэлектроны с разными энергиями и углами испускаются из одной точки на поверхности GaAs фотокатода. Точка, из которой испускаются фотоэлектроны, и начало координат на Рисунке 6 находятся на одном уровне. Каждый кружок на Рисунке 6 представляет один тип электронов. Абсцисса – это координата х электрона на входной поверхности МКП, ордината – количество электронов n(x). Диапазон координат электронов на входной поверхности МКП от –25,995 до 25,995 мкм, а дисперсионный круг 51,99 мкм.

Когда идеальный точечный источник облучает фотокатод, на эмиссионной поверхности фотокатода образуется пятно определенного диаметра. Так как диаметр этого пятна мал по сравнению с расстоянием между фотокатодом и входным торцом МКП, в данной статье допускается, что данное пятно также является точечным источником. Множество электронов испускается от идеального точечного источника на GaAs фотокатоде. Каждый электрон имеет разный начальный угол и энергию. Эти электроны переносятся к входной поверхности МКП в системе с коротким фокусом. Разные электроны имеют разные координаты на входной поверхности МКП. Поэтому на входной поверхности МКП имеется светлое пятно определенного размера. Для оптической системы, когда входным объектом является один точечный источник, световое поле выходного объекта – ФРТ. На Рисунке 3 показаны статистические результаты распределения электронов, проходящих через входной промежуток, после излучения из одной точки на поверхности фотокатода. Согласно определению ФРТ, распределение электронов можно рассматривать как ФРТ для входного промежутка. ФРЛ можно получить из интеграла ФРТ, как показано на рисунке 7. Распределение электронов по входной поверхности МКП делится на несколько зон, и ширина каждой зоны одинаковая. Интегрирование представлено следующим образом:

где Δх – ширина каждой зоны. Так как ФРЛ для входного промежутка – это дискретная величина, применяется дискретное преобразование Фурье. Основываясь на определении дискретного преобразования Фурье, рассчитывается ЧКХ, как показано на рисунке 8.

Как показано на рисунке 4, фотоэлектроны с первичной энергией соответствующей β_1,8 распределению сосредоточены вместе, что согласуется с разбросом по энергиям фотоэлектронов, испущенных GaAs фотокатодом. Вычисляется и аппроксимируется ЧКХ для β_1,8 распределения, как показано на Рисунке 6.

Аппроксимирующее выражение ЧКХ для β_1,8 распределения следующее:

где L и Ф – расстояние и напряжение между фотокатодом и МКП, которые измеряются в миллиметрах и вольтах соответственно. Единицей измерения ε_m является эВ. Уравнение (5) – в формате exp(−(f 5f _c) n ), является опытной формулой ЧКХ для электронно-оптической системы. В опытной формуле f_c – частотная постоянная, а n – индекс устройства. Согласно опытной формуле и Уравнению (5) для электронной системы с коротким фокусом n = 2, а f_c выражена как:

Относительная погрешность между аппроксимирующей кривой и расчетной кривой показана на Рисунке 10. Относительная погрешность составляет менее 5% при пространственной частоте меньше 50 п.л./мм.

3 Методы измерения ЧКХ

Существует методы измерения ЧКХ:

1 – Метод сканирования прямоугольной и синусоидальной миры. Данный метод основан на ГОСТ 21815.18-90.

Суть метода заключается в измерении коэффициента передачи контраста (КПК) для ряда пространственных частот, приведённых к плоскости фотокатода ЭОП.

Принцип получения ЧКХ заключается в следующем:

Свет от источника типа «А» в шаровом осветителе, пройдя сквозь прямоугольную щель, шириной 100 мкм проецируется на фотокатод ЭОП. Изображение щели с экрана ЭОП проецируется на анализирующий растр, представляющий собой стеклянный прямоугольник с нанесенными штрихами на трех пространственных частотах. Растр сканируется относительно изображения щели при помощи электродвигателя. А сигнал с ФЭУ, стоящим за растром, попадает на мультиметр, где строится распределение яркости выходного сигнала. При помощи специальной программы далее рассчитывается КПК для каждой пространственной частоты. В заключении строится зависимость КПК от пространственной частоты.

Для исследования были отобраны:

3. Вакуумный блок 2+ поколения №49253, производства «Катод».

Первоначально сигнал с ФЭУ был сильно зашумлен из-за вибраций и пульсаций в сети, особенно на высоких частотах. Для минимизации искажений сигнала из-за механической вибрации, установка была поставлена на виброопоры. Питание ФЭУ, ЭОП и мультиметра осуществлялось через источник бесперебойного питания, что также улучшило форму снимаемого сигнала, хотя зашумленность все же сохранилась, что особенно сказывается на высоких частотах (рисунок 12).

В ходе выполнения работы была измерена пространственная частота прямоугольных мир, приведенных к плоскости фотокатода.

Измерение размеров штрихов стеклянной прямоугольной миры осуществлялось на микроскопе МБС-10 с насадкой МИМ. Данные измерений приведены в таблице 1.

Формула определения пространственной частоты в плоскости фотокатода испытуемого изделия:

(7),

Где Г_эо – оптическое увеличение,

β _вых.об – увеличение микрообъектива,

P_миры – период элемента

Ширина чёрного штриха, мм

Ширина белого штриха, мм

(белый + черный штрих) P_миры, мм

Электронно-оптическое увеличение ЭОП, Г_эо

Источник