Так же, как и для внешнего фотоэффекта, внутренний фототок зависит от спектрального состава света, начиная с «красной границы» _кр = (h)_кр.

Внутренний фотоэффект имеет большое преимущество по причине высокого квантового выхода, превышающего 100%.

В телевизионных преобразователях обычно используют полупрозрачный фотокатод (независимо от вида фотоэффекта), который имеет толщину от 20 до 40 нм.

4.3. Формирование и перенос электронного изображения

Электронное изображение – поток электронов, распределение плотности которых соответствует распределению освещенности оптического изображения, спроецированного на фотокатод. Иногда это электронное изображение переносится на некоторое расстояние от фотокатода и перемещается (качается) в пространстве.

Необходимое условие формирования электронного изображения – надо собрать все электроны, вылетевшие из одной точки фотокатода, вновь в одной точке в плоскости переноса.

Для переноса и фокусировки электронных пучков применяют длинные фокусирующие катушки, создающие однородное магнитное поле во всем пространстве движения электронов. Схема движения электронов в однородном магнитном поле показана на рис. 4.2,а. Здесь S – плоскость фотокатода (ОИ), S₁ – плоскость переноса, L – магнитная катушка, которая создает поле Н_Z.

Ускоряющее поле V_A переносят электроны от фотокатода направо. Из точки О_R фотокатода вылетают электроны с разными радиальными составляющими скорости V_R. Магнитное поле воздействует на электрон (сила Лоренца):

F_Л = eH_zV_R , где е – заряд электрона.

Эта сила перпендикулярна оси z и закручивает электрон, т.е. направлена к центру (центростремительная сила). Эта сила создает траекторию в виде окружности, для которой известна связь между скоростью и радиусом:

, где m – масса электрона, R – радиус его траектории (проекции на плоскость (S).

При F_ц = F_Л найдем R:

,

а время обхода этой окружности .

Видно, что время t не зависит от угла вылета (от V_R). Отсюда следует, что все электроны, вылетевшие из т.О₁, будут в виде «веретена» собраны в т. , потом они опять разойдутся, опять соберутся (т. ) и т.д. Это «веретено» показано на рис. 4.2,б. Траектории всех электронов представляют собой винтовые линии, за исключением тех электронов, которые вылетели вдоль магнитного поля Н_Z, т.е. у которых V_R = 0.

Плоскости , , и.т.д. – это фокальные плоскости электронного изображения, которые находятся на расстояниях l_i от плоскости фотокатода:

. Очевидно, что l^/ < l^// < l^/// < …

Величину V_z в основном определяет ускоряющее напряжение U_A, поэтому фокусировку можно осуществлять как путем изменения Н_Z, так и U_A.

Переносимое электронное изображение – прямое и имеет тот же размер, что и исходное оптическое изображение на фотокатоде. Перенос электронного изображения используют в диссекторе и суперортиконе.

Отметим кстати, что фокусировка с помощью длинной катушки используется также для формирования развертывающего луча. Здесь источником излучения является электронная пушка (рис. 4.3.). Здесь Н_ф – фокусирующее поле, Н_о – отклоняющее магнитное поле.

4.4. Диссектор

Диссектор – трубка мгновенного действия, предложена в 1930 Франсуортом (рис.4.4). В ней используется внешний фотоэффект.

Развертка осуществляется путем перемещения электронного изображения перед диафрагмой (вырезающее отверстие), которая и является развертывающей апертурой. Диссектор состоит из трех секций: секция преобразования оптического изображения в электронное, секция переноса электронного изображения и его отклонения и секция вторично-электронного усиления (ВЭУ). Первая секция – фотокатод, последующие секции видны из рисунка.

Напряжение сигнала U_c = i_c  R_н. Полярность сигнала отрицательна, т.к. напряжение в точке А: U_A = U-i_cR_н, т.е. при увеличении интенсивности света потенциал в т. А падает («уровень белого ниже уровня черного»).

Обычно коэффициент усиления ВЭУ  10⁷, так что ток сигнала может доходить до 100 мкА.

Разрешающая способность диссектора не менее 600 линий по всей мишени (фотокатоду), а в малокадровом телевидении может доходить до 3000.

Наряду с серьезными преимуществами (простота, высокое разрешение, механическая прочность и др.), видикон обладает весьма серьезным недостатком – малой чувствительностью в широкополосном режиме работы. В достаточно широком диапазоне освещенности (от десятых долей лк до тысяч лк) световая чувствительность диссектора постоянна и ее можно оценить следующим образом.

Пусть суммарный ток фотокатода составляет I_ф, а общее число элементов изображения N_max = kz².Ток фотокатода: I_ф = ES_ф,

где  - чувствительность фотокатода,

Е – его средняя освещенность,

S_ф – площадь фотокатода.

Освещенность Е зависит от освещенности объекта Е₀:

,

где  - среднее значение коэффициента отражения объекта,

 - прозрачность объектива,

О – относительное отверстие объектива,

 - коэффициент увеличения оптической системы (  0 при проецировании удаленных объектов).

С учетом того, что фототок с элемента изображения , получим абсолютное среднее значение фототока с одного элемента изображения:

.

Как обычно, представляет интерес отношение сигнал/шум . Будем учитывать только дробовую составляющую шума, т.е.

, где f – полоса частот.

Тогда сигнал/шум:

,

Отсюда:

.

Таким образом, задавая величину _др, можно оценить необходимую освещенность сцены, изображение которой передается:

.

Вторично-электронный умножитель уменьшает отношение сигнал/шум в раз, где  – коэффициент вторичной эмиссии динодов. Поэтому:

.

Для примера положим: к = 4/3, z = 575, f = 7,3 10⁶ Гц; объектив имеет прозрачность =0,9, относительное отверстие О = 1:2. Остальные параметры  = 5,   0,  = 0,6. Диссектор имеет чувствительность _ф = 70 мкА/лм, S_ф = 24х32 мм². Тогда для  = 40 получим:

Е_о = 1,4  10⁶ лк, что в 10 раз выше освещенности в солнечный день.

Если количество строк z уменьшить до 100, то для прежнего значения сигнал/шум освещенность можно уменьшить в  2000 раз (за счет уменьшения kz² и f).

4.5. Суперортикон

Этот преобразователь работает в режиме накопления – световой поток, попадающий на элемент изображения, действует в течение всего кадра, так что элементарный конденсатор, соответствующий этому элементу изображения, накапливает заряд в течение всего времени кадра, а считывается этот заряд за время прохождения лучом элемента. Эквивалентная схема преобразователя с накоплением показана на рис. 4.5. За время кадра Тк элементарный конденсатор накапливает заряд: q_зар = i_ф  Т_к.

При считывании ключ К замыкается на время t_счит и конденсатор Сэ разряжается через нагрузочное сопротивление R_н. При полном считывании q_зар = q_счит поэтому ток сигнала: , где N – количество элементов изображения.

Принцип накопления может быть реализован при использовании мозаичной фотомишени, состоящей из изолированных ячеек, каждая из которых содержит микрофотоэлемент и накопительный конденсатор С (рис. 4.6.). Конденсаторы заряжаются до разных напряжений в соответствии с локальной освещенностью, образуя потенциальный рельеф на мишени. Электронный луч, перемещающийся по мишени в соответствии с законом развертки (прямоугольно-прогрессивный растр), поочередно подключает различные накопительные конденсаторы С_i и разряжает их через нагрузочное сопротивление, через которое и протекает ток сигнала.

При накоплении отношение сигнал/шум увеличивается в раз. Это означает, что при прочих равных условиях преобразователь с накоплением требует в (kz²) раз меньшей освещенности на фотокатоде (мишени).

Кроме эффекта накопления, в суперортиконе используется усиление первичного фотозаряда за счет вторичной электронной эмиссии на материале мишени.

Для пояснения этого процесса рассмотрим процесс формирования потенциала изолированной мишени, которая облучается электронным пучком (рис. 4.7.). В зависимости от энергии электронов первичного пучка меняется коэффициент вторичной эмиссии. Полагаем по-прежнему, что выполняется условие полного отбора всех вторичных электронов. Зависимость коэффициента вторичной эмиссии от ускоряющего потенциала U_A приведена на рис. 4.8, а. При ускоряющем потенциале 0  U_A  U_kp1 (область медленных электронов) мишень получает некоторый отрицательный (относительно катода) равновесный потенциал U_HP  (-1,5 B), а затем все электроны отражаются от мишени, не проникая в нее. Затем, при U_kp1  U_A  U_kp2 (область быстрых электронов) энергии электронов достаточно для проникновения в мишень несмотря на ее тормозящее поле. Эти первичные электроны выбивают из мишени вторичные электроны, количество которых больше количества первичных, так что мишень получает положительный потенциал, линейно зависящий от ускоряющего потенциала. В области U_A  U_kp2 мишень остается относительно катода положительно заряженной до величины  U_kp2 (рис. 4.8, б). Потенциал мишени относительно анода при изменении ускоряющего напряжения показан на рис. 4.8, в. В области U_kp1 < U_A < U_kp2 разность потенциалов мишень-анод постоянна и составляет +3В, т.е. мишень имеет положительный потенциал по отношению к аноду.

В области I (U_A < U_kp1) работают секции передающих трубок с разверткой лучом медленных электронов, в области II (U_kp1 < U_A < U_kp2) работают секции трубок с быстрыми электронами.