光電成像技術(shù)-第五章--直視型電真空成像物理課件

1、第五章 直視型電真空成像物理5.1 像管成像的物理過程 5.2 像管結(jié)構(gòu)類型與性能參數(shù) 5.3 輻射圖像的光電轉(zhuǎn)換 5.4 電子圖像的成像理論 5.5 電子圖像的發(fā)光顯示 5.6 光學(xué)圖像的傳像與電子圖像的倍增 5.1 像管成像的物理過程 像管通過三個環(huán)節(jié)完成圖像的電磁波譜轉(zhuǎn)換和亮度增強，即：將接收的微弱的可見光圖像或不可見的輻射圖像轉(zhuǎn)換成電子圖像；使電子圖像聚焦成像并獲得能量增強或數(shù)量倍增；將獲得增強后的電子圖像轉(zhuǎn)換成可見的光學(xué)圖像。上述三個環(huán)節(jié)分別由光陰極、電子光學(xué)系統(tǒng)和微通道板(MCP)以及熒光屏完成。這三部分共同封置在一個高真空的管殼內(nèi)。 下一頁返回5.1 像管成像的物理過程5.1.1

2、 輻射圖像的光電轉(zhuǎn)換5.1.2 電子圖像的能量增強 5.1.3 電子圖像的發(fā)光顯示上一頁返回5.1 像管成像的物理過程5.1.1 輻射圖像的光電轉(zhuǎn)換 外光電效應(yīng)的特點包括兩方面的內(nèi)容： 斯托列托夫定律：當(dāng)入射光的頻率或頻譜成分不變時，光電發(fā)射體單位時間內(nèi)發(fā)射出的光電子數(shù)或飽和光電流IG與入射光的強度成正比； 愛因斯坦定律：光電發(fā)射出來的光電子的最大初動能與入射光的頻率成正比，與入射光的強度無關(guān) 。 該定律表明：當(dāng)入射頻率低于0時，不論光強如何都不會產(chǎn)生光電發(fā)射。下一頁返回5.15.1 像管成像的物理過程 5.1.1 輻射圖像的光電轉(zhuǎn)換 像管的輸入端面是采用光電發(fā)射材料制成的光敏面。該光敏面接收

3、輻射量子產(chǎn)生光電子發(fā)射，所發(fā)射的電子流密度分布正比于入射的輻射通量分布，由此完成將輻射圖像轉(zhuǎn)換為光電子圖像的過程。由于光電子發(fā)射需要在發(fā)射表面有法向電場，所以光敏面應(yīng)接于低電位。這一光敏面通常稱為光陰極。光陰極可分為透射型和反射型兩種。 下一頁上一頁5.1 像管成像的物理過程由光電發(fā)射的斯托列托夫定律可知，飽和光電發(fā)射的光電子流密度與入射輻射通量密度成正比。因此，由入射輻射分布構(gòu)成的圖像可以通過光陰極變換成由光電子流分布構(gòu)成的圖像，這一圖像稱為光電子圖像。下一頁上一頁5.1 像管成像的物理過程5.1.2 電子圖像的能量增強 像管中的光電子圖像通過特定的靜電場或電磁復(fù)合場獲得能量增強。光陰極的光

4、電發(fā)射產(chǎn)生的光電子圖像在剛離開光陰極面時是低速運動的光電子流，其初速由愛因斯坦定律決定。這一低能量的光電子圖像在靜電場或電磁復(fù)合場的力作用下得到加速并聚焦到熒光屏上。到達像面時的高速運動的光電子流能量很大，由此完成了電子圖像的能量增強。像管中特定設(shè)置的靜電場或電磁復(fù)合場統(tǒng)稱之為電子光學(xué)系統(tǒng)。由于它具有聚焦光電子成像的作用，故又被稱為電子透鏡。下一頁返回5.15.1 像管成像的物理過程 像管中常用的電子光學(xué)系統(tǒng)有：縱向均勻靜電場的投射成像系統(tǒng)；軸對稱的靜電聚焦成像系統(tǒng)；準(zhǔn)球?qū)ΨQ的靜電聚焦成像系統(tǒng)；旋轉(zhuǎn)對稱的電磁場復(fù)合聚焦成像系統(tǒng)等。 下一頁上一頁5.1 像管成像的物理過程5.1.3 電子圖像的發(fā)

5、光顯示 為把光電子圖像轉(zhuǎn)換成可見的光學(xué)圖像，通常需要使用熒光屏。像管中常用的熒光屏材料有多種，基本材料是金屬的硫化物、氧化物或硅酸鹽晶體等。實驗證明，熒光屏由高速電子激發(fā)發(fā)光的亮度除與發(fā)光材料的性質(zhì)有關(guān)外，主要取決于入射電子流的密度和加速電壓值。當(dāng)像管中光電子圖像的加速電壓一定時，熒光屏的發(fā)光亮度正比于入射光電子流的密度。由此可知，像管的熒光屏可以將光電子圖像轉(zhuǎn)換成可見的光學(xué)圖像。下一頁返回5.15.2 像管結(jié)構(gòu)類型與性能參數(shù) 根據(jù)像管的工作波段可分為：工作于微弱可見光的像增強器；工作于非可見輻射（近紅外、紫外、X射線、射線）的變像管。像管可根據(jù)工作方式分為：連續(xù)工作像管、選通工作像管、變倍工

6、作像管等；可根據(jù)結(jié)構(gòu)分為：近貼式像管、倒像式像管、靜電聚焦式像管、電磁復(fù)合聚焦式像管等；可根據(jù)使用的技術(shù)分為：級聯(lián)式的一代像管、帶MCP微通道板）的二代像管、采用負(fù)電子親和勢光陰極和MCP的三代像管等。 下一頁返回5.2 像管結(jié)構(gòu)類型與性能參數(shù)5.2.1 像增強器5.2.2 紅外變像管、紫外變像管、X射線變像管和射線變像管 5.2.3 像管性能參數(shù)及其要求 上一頁5.2.1 像增強器1. 近貼式像增強器 光陰極在輸入窗的內(nèi)表面，熒光屏在輸出窗的內(nèi)表面，光陰極和熒光屏相互平行。在光陰極與熒光屏之間施加高壓時，兩電極間形成縱向均勻靜電場，光陰極發(fā)射出的電子受到電場的作用飛向熒光屏，由于間距很近（約

7、1mm），所以稱電極為近貼聚焦的電子光學(xué)系統(tǒng)。下一頁返回5.25.2.1 像增強器1. 近貼式像增強器 近貼式像增強器是結(jié)構(gòu)最簡單的像增強器，在熒光屏上成正像，且無畸變。但是由于受分辨力的限制，極間距離不能太大，又因為受場致發(fā)射的限制，極間電壓不能太高，因此系統(tǒng)的亮度增益受到限制，像質(zhì)也受到影響。 下一頁上一頁5.2.1 像增強器2. 靜電聚焦倒像式像增強器 靜電聚焦倒像式像增強器中由光陰極和陽極共同構(gòu)成靜電聚焦系統(tǒng)。常用的電極結(jié)構(gòu)有：平面光陰極雙圓筒系統(tǒng)和球面光陰極雙球面（同心球）系統(tǒng)兩種，它們都能形成軸對稱的靜電場。靜電場形成的電子透鏡可使光陰極面上的物像發(fā)射出來的電子圖像加速并聚焦于熒光

8、屏上，形成一倒像。下一頁上一頁5.2.1 像增強器2. 靜電聚焦倒像式像增強器 在通常采用的雙球面電極的系統(tǒng)中，陽極頭部曲面和光陰極球面以及熒光屏球面構(gòu)成近似同心球面。由此構(gòu)成近似的球形對稱靜電場，使軸外各點的電子主軌跡都是近似對稱軸，從而使軸外像差 。下一頁上一頁5.2.1 像增強器2. 靜電聚焦倒像式像增強器1、5光學(xué)纖維面板；2光陰極；3-陽極；4熒光屏 下一頁上一頁5.2.1 像增強器3. 電磁復(fù)合聚焦式像增強器 在平面光陰極和熒光屏之間設(shè)置有環(huán)形電極，其上加有逐步升高的電壓，沿管軸建立起上升的電位；同時，管殼外設(shè)置有通以恒定電流的螺旋線圈，產(chǎn)生的均勻磁場，由此形成縱向的均勻電磁場。該

9、電磁場使光陰極發(fā)射的光電子加速并聚焦到熒光屏上成像。只要嚴(yán)格地控制電壓和磁場，就可以得到良好的像平面，在熒光屏上獲得較高分辨力的圖像。但是由于復(fù)合聚焦系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、笨重，給使用帶來不方便。因此通常只在需要高性能像質(zhì)的場合，如天文觀察時才使用這種聚焦方式。下一頁上一頁5.2.1 像增強器3. 電磁復(fù)合聚焦式像增強器1陽極；2絕緣環(huán)；3磁體；4磁極片；5輸入窗；6光陰極；7加速環(huán)；8熒光屏；9輸出窗；10絕緣材料 下一頁上一頁5.2.1 像增強器4. 選通式像增強器 選通式像增強器是靜電聚焦式像增強器。它是在普通兩電極像增強器的結(jié)構(gòu)上增加控制柵極構(gòu)成的?？刂茤艠O由靠近光陰極的柵網(wǎng)和陽極孔欄組成。當(dāng)

10、柵極電位低于光陰極電位時，形成反向電場使光陰極的光電發(fā)射截止；當(dāng)在柵極上施加正電位的工作脈沖時，構(gòu)成聚焦成像的電場，由此實現(xiàn)了選通式工作狀態(tài)。 下一頁上一頁5.2.1 像增強器4. 選通式像增強器下一頁上一頁5.2.1 像增強器4. 選通式像增強器 選通的工作方式有兩種：一是單脈沖觸發(fā)式工作；二是連續(xù)脈沖觸發(fā)式工作。前者用于在高速攝影中作為電子快門，后者用于主動紅外選通成像與測距。選通式像增強器中另有種類型，它增加了一對偏轉(zhuǎn)電極。這對偏轉(zhuǎn)電極設(shè)置在陽極錐體內(nèi)，其上施加線性斜坡狀脈沖電壓使輸出圖像偏轉(zhuǎn)，將連續(xù)選通的幾幅圖像在熒光屏上分開。這種像增強器稱為條紋管。 下一頁上一頁5.2.1 像增強器

11、 5. 變倍式像增強器 能夠改變圖像倍率的像增強器稱為變倍式像增強器。它具有可變放大率的電子光學(xué)系統(tǒng)。由于變倍的同時必然使焦距發(fā)生變化，因此在普通像增強器內(nèi)除了加變倍電極外，同時還需要加聚焦電極來補償像面的變動，所以，變倍式像增強器通常為四電極結(jié)構(gòu) 下一頁上一頁5.2.1 像增強器5. 變倍式像增強器下一頁上一頁5.2.1 像增強器6.帶有MCP的像增強器（二代像增強器） 二代像增強器與一代像增強器的根本區(qū)別在于：它不是采用多級級聯(lián)實現(xiàn)光電子圖像倍增，而是采用在單級像增強器中設(shè)置MCP來實現(xiàn)光電子圖像倍增。MCP是兩維空間的電子倍增器，它是由大量平行堆集的微細單通道電子倍增器組成的薄板，二代像

12、增強器有兩種管型結(jié)構(gòu)，一種是雙近貼式像增強器，另一種是倒像式像增強器。 下一頁上一頁5.2.1 像增強器6.帶有MCP的像增強器（二代像增強器）二代雙近貼式像增強器結(jié)構(gòu)示意圖 下一頁上一頁5.2.1 像增強器6.帶有MCP的像增強器（二代像增強器）二代靜電聚焦倒像式像增強器結(jié)構(gòu)示意圖1光陰極；2微通道板；3熒光屏 下一頁上一頁5.2.1 像增強器7. 負(fù)電子親和勢光陰極像增強器（三代像增強器） 下一頁上一頁5.2.1 像增強器7. 負(fù)電子親和勢光陰極像增強器（三代像增強器） 三代像增強器具有高增益、低噪聲的優(yōu)點。而且負(fù)電子親和勢是熱化電子發(fā)射，光電子的初動能較低，能量又比較集中，所以，三代像增

13、強器又具有較高的圖像分辨力。這些特點使三代像增強器成為目前性能最優(yōu)越的直視型光電成像器件。 下一頁上一頁5.2.2 紅外變像管、紫外變像管、X射線變像管和射線變像管 紅外變像管、紫外變像管、X射線和射線變像管用于分別將不可見的紅外圖像、紫外圖像、X射線圖像和射線圖像轉(zhuǎn)換為可見的光學(xué)圖像，其中紅外變像管和紫外變像管在結(jié)構(gòu)上與普通的像增強器基本相同，只是光陰極的材料和光譜響應(yīng)有所不同。X射線和射線變像管則比普通像管多了一個射線轉(zhuǎn)換熒光屏（又稱輸入熒光屏）。下一頁返回5.25.2.2 紅外變像管、紫外變像管、X射線變像管和射線變像管 射線轉(zhuǎn)換屏位于變像管的輸入窗內(nèi)，在它與外殼之間設(shè)置有薄鋁層以遮擋雜

14、光。轉(zhuǎn)換屏與光陰極之間靠很薄的玻璃耦合，以減小熒光圖像的擴散。這一轉(zhuǎn)換屏可將入射的X射線圖像或射線圖像轉(zhuǎn)換為熒光的弱光圖像，該弱光圖像入射到光陰極上產(chǎn)生光電子圖像，其后續(xù)過程與普通像管相同。 下一頁上一頁近貼式X射線變像管工作原理示意圖 下一頁上一頁縮小型X射線變像管結(jié)構(gòu)示意圖 1X射線轉(zhuǎn)換屏；2光陰極；3聚焦極；4陽極；5輸出熒光屏下一頁上一頁5.2.3 像管性能參數(shù)及其要求 直視式光電成像器件既能探測到微弱的或人眼不可見的目標(biāo)輻射信號，又能將目標(biāo)滿意地進行成像，使人眼能看到再現(xiàn)的目標(biāo)圖像。因此，像管既是一個輻射探測器、放大器，同時又是成像器。作為輻射探測器，它應(yīng)具有高的量子效率和信號放大能

15、力，作為成像器，它必須具有小的圖像幾何失真，這些性能通常用畸變、放大率、分辨力及調(diào)制傳遞函數(shù)來描述。下一頁返回5.25.2.3 像管性能參數(shù)及其要求主要特性參數(shù) :1.光譜響應(yīng)特性2.增益特性3.背景特性 4.成像特性 下一頁上一頁5.2.3 像管性能參數(shù)及其要求 1.光譜響應(yīng)特性 光譜響應(yīng)特性是指像管的響應(yīng)能力與入射波長的對應(yīng)關(guān)系。像管的光譜響應(yīng)特性實際上是其光陰極的光譜響應(yīng)特性，它決定了像管工作的光譜范圍。像管的光譜響應(yīng)特性通常用光譜響應(yīng)率、量子效率、光譜特性曲線等來描述，像管的光譜響應(yīng)之和稱為積分響應(yīng)率（或光電靈敏度）。下一頁上一頁5.2.3 像管性能參數(shù)及其要求 1.光譜響應(yīng)特性 光譜

16、響應(yīng)率是像管對單色入射輻射的響應(yīng)能力；響應(yīng)率是像管對全色入射輻射的響應(yīng)能力。它們分別以R和R表示。根據(jù)響應(yīng)率的定義入射輻射功率所產(chǎn)生的輸出光電流，則下一頁上一頁1 光譜響應(yīng)特性 考慮到 則(5-3)(5-4)(5-5)(5-8)下一頁上一頁5.2.3 像管性能參數(shù)及其要求 1.光譜響應(yīng)特性 式中，稱為光譜匹配系數(shù)。它反映了在像管響應(yīng)的波長范圍內(nèi)，光源與光陰極，熒光屏與光陰極及熒光屏與人眼光譜光視效率之間在光譜上的吻合程度。如果匹配良好，就能獲得高的整管響應(yīng)度。因此，光譜匹配系數(shù)是選擇像管各級材料的重要依據(jù)。 下一頁上一頁5.2.3 像管性能參數(shù)及其要求 2.增益特性 合適的亮度是觀察圖像的必要

17、條件。像管輸出的圖像亮度既與入射圖像的照度有關(guān)，又取決于像管本身對輻射能量的變換與增強的能力?！霸鲆妗本褪怯脕砻枋鱿窆苓@種能力的參數(shù)。 下一頁上一頁5.2.3 像管性能參數(shù)及其要求 2.增益特性 （1）增益定義 像管的增益有：亮度增益、輻射亮度增益及光通量增益之分。其中亮度增益是最基本而通用的。 （2）亮度增益的定義 像管的亮度增益定義為：像管在標(biāo)準(zhǔn)光源照射下，熒光屏上的光出射度M與入射到陰極面上的照度EV之比。即 (倍) 下一頁上一頁5.2.3 像管性能參數(shù)及其要求 2.增益特性 由于熒光屏具有朗伯發(fā)光體的特性，發(fā)光的亮度分布符合余弦分布律，因此熒光屏上的光出射度M與亮度L之間的關(guān)系可表示為

18、 因此 (5-10)(5-11)下一頁上一頁5.2.3 像管性能參數(shù)及其要求 2.增益特性 （3）亮度增益的表達式 下面根據(jù)定義建立亮度增益的表達式，即亮度增益與像管各參數(shù)之間的關(guān)系。 設(shè)入射到像管光陰極面上的照度為E，光陰極光靈敏度為R，那么光陰極有效面積Ac上產(chǎn)生的光電流為 (5-14)下一頁上一頁5.2.3 像管性能參數(shù)及其要求 2.增益特性 （3）亮度增益的表達式 若以表示電子光學(xué)系統(tǒng)透射比，U為像管的加速電壓，則射到熒光屏上的功率為 由熒光屏發(fā)光效率（單位為lm/w）的定義/P可知，熒光屏發(fā)出的光通量為(5-15)(5-16)下一頁上一頁5.2.3 像管性能參數(shù)及其要求 2.增益特性

19、 （3）亮度增益的表達式 熒光屏的光出射度 這樣，根據(jù)定義便可得到單級像管的亮度增益表達式為 (5-17)(5-18)下一頁上一頁5.2.3 像管性能參數(shù)及其要求 2.增益特性 （3）亮度增益的表達式 如果不考慮級間耦合的損失，則第一級熒光屏發(fā)出的光出射度M1就是第二級光陰極的入射照度E2，即 (5-19)下一頁上一頁5.2.3 像管性能參數(shù)及其要求 2.增益特性 （3）亮度增益的表達式 那么在第二級管熒光屏上輸出的光出射度應(yīng)為 (5-20)(5-21)下一頁上一頁5.2.3 像管性能參數(shù)及其要求 2.增益特性 （3）亮度增益的表達式 故二級級聯(lián)像管的亮度增益為 (5-22)下一頁上一頁5.2

20、.3 像管性能參數(shù)及其要求 2.增益特性 （3）亮度增益的表達式 同理可推得三級級聯(lián)像管的亮度增益。 R1為第一級光陰極對入射光的積分響應(yīng)率； R2為第二級光陰極對第一級熒光屏的積分響應(yīng)率； R3為第三級光陰極對第二級熒光屏的積分響應(yīng)率。下一頁上一頁5.2.3 像管性能參數(shù)及其要求 2.增益特性 （4）對亮度增益表達式的討論 在像管亮度增益的表達式中，清楚地表明了像管各參數(shù)對亮度增益的影響。m對GL的影響則較大，當(dāng)m減小時，GL以平方關(guān)系增大，然而這是以縮小圖像為代價的。同時m不能太小，因為熒光屏的發(fā)光效率與熒光粉的顆粒度之間有一定關(guān)系，要保證屏的發(fā)光效率，熒光粉的顆粒度就不能太小，這樣就使縮

21、小的圖像很難由顆粒度較大的屏分辨出來，導(dǎo)致分辨力下降。所以現(xiàn)有的像管絕大多數(shù)的m值取在0.51之間。 下一頁上一頁5.2.3 像管性能參數(shù)及其要求 2.增益特性 （4）對亮度增益表達式的討論 實際上像管的亮度增益要小于理論值。像管實際增益的大小，可通過實驗測試得到。具體測試是根據(jù)亮度增益的定義進行的。常用像管亮度增益的典型值：紅外變像管為3050；單級像增強器為50100；三級級聯(lián)像管為5104105；二代像管為104。下一頁上一頁5.2.3 像管性能參數(shù)及其要求 3.背景特性 合適的亮度是人眼觀察圖像的必要條件，除了有用的成像（信號）亮度以外，還存在一種非成像的附加亮度，稱之為背景（或背景亮

22、度）。像管的背景包括無光照射情況下的暗背景和因入射信號的影響而產(chǎn)生的附加背景，稱為信號感生背景（或光致背景）。暗背景產(chǎn)生的主要原因是光陰極的熱電子發(fā)射和顆粒引起的場致發(fā)射。產(chǎn)生信號感生背景的主要原因是陰極透射光、管內(nèi)散射光、離子反饋、光反饋所致。 下一頁上一頁5.2.3 像管性能參數(shù)及其要求 3.背景特性 為了反映背景對像管圖像對比的影響，引入兩個參數(shù)：等效背景照度和對比惡化系數(shù)。 （1） 等效背景照度 為了與來自目標(biāo)的照度相比較，通常用等效背景照度來表示暗背景。使熒光屏亮度等于暗背景亮度值時的光陰極面上的輸入照度值稱為等效背景照度。 等效背景照度的典型值，對變像管而言為10-3lx數(shù)量級，對

23、像增強器而言則為10-7lx數(shù)量級。 下一頁上一頁5.2.3 像管性能參數(shù)及其要求 3.背景特性 （2）對比惡化系數(shù) 由于背景的存在使圖像模糊不清，背景使像質(zhì)下降的程度可用對比惡化的多少來描述。 即 （5-27）下一頁上一頁5.2.3 像管性能參數(shù)及其要求 4.成像特性 像管光陰極面接收來自物空間的圖像輻射，這一輻射在陰極面上的強度分布構(gòu)成輸入圖像，通過像管的轉(zhuǎn)換與增強在熒光屏上產(chǎn)生相應(yīng)的亮度分布，構(gòu)成輸出圖像。成像特性通常用放大率、畸變、分辨力和調(diào)制傳遞函數(shù)來描述。 下一頁上一頁5.2.3 像管性能參數(shù)及其要求 4.成像特性 （1）放大率 像管的放大率m指的是像管輸出端輸出的圖像線性尺寸l與

24、其對應(yīng)的輸入端圖像的線性尺寸l之比，因此，放大率是表征像管對圖像幾何尺寸放大或縮小能力的一個性能參數(shù)。 下一頁上一頁5.2.3 像管性能參數(shù)及其要求 4.成像特性 （2）畸變 由于像管常采用靜電聚焦電子光學(xué)系統(tǒng)，它的邊緣放大率比近軸放大率大，所以在輸出端圖像產(chǎn)生枕形畸變。由于物高不同，放大率不同，導(dǎo)致圖像形狀發(fā)生畸形變化，故稱為畸變，并以D表示畸變的程度。 通常取光陰極有效直徑的80%處的放大率來表征畸變大小。它的典型數(shù)據(jù)是：變像管為10；三級級聯(lián)像管為25%35。下一頁上一頁5.2.3 像管性能參數(shù)及其要求 4.成像特性 （3）分辨力 成像器件剛剛能分辨清兩個相鄰極近目標(biāo)的像的能力稱為該成像

25、器件的分辨力。為評定像管的成像質(zhì)量，最簡單常用的方法是測定其分辨力。像管的分辨力是指高對比度的標(biāo)準(zhǔn)測試板圖案聚焦在像管的光陰極面上，通過目視方法觀察熒光屏上每毫米尺度包含的能夠分辨開的黑白相間等寬矩形條紋的對數(shù)。下一頁上一頁5.2.3 像管性能參數(shù)及其要求 4.成像特性 所謂分辨的線對數(shù)是指能分辨出每個測試單元四個方向（或兩個方向）的條紋。 對于像管來說，中心的成像性能好于邊緣。一般用中心分辨力來表示，但有時也測定半視場分辨力和邊緣分辨力。用分辨力來表示像管的成像質(zhì)量，其方法簡單方便、意義明確，同時給出一個定量的數(shù)值，便于比較。下一頁上一頁5.2.3 像管性能參數(shù)及其要求 4.成像特性 但這種

26、方法也存在一些問題，主要有： 雖然測定的兩個像管的極限分辨力一樣，但成像質(zhì)量卻可能存在很大差異。 不能揭示串光的影響。 有些像管從可以分辨到不可分辨，轉(zhuǎn)變比較明顯。有些像管則模模糊糊，甚至可以跨越幾個組，似乎都可以分辨，但又都難以分辨。 它以目測為手段。下一頁上一頁5.2.3 像管性能參數(shù)及其要求 4.成像特性 （4）調(diào)制傳遞函數(shù) 調(diào)制傳遞函數(shù)是一種可以全面描述成像系統(tǒng)對構(gòu)成圖像的各種細節(jié)（較高空間頻率）的衰減能力的數(shù)學(xué)關(guān)系。調(diào)制傳遞函數(shù)建立在傅里葉級數(shù)和傅里葉變換的基礎(chǔ)上，將整個成像過程描述為物圖像與成像系統(tǒng)的響應(yīng)函數(shù)（擴散函數(shù)）的卷積過程。通過數(shù)學(xué)上的分析，可以描述各種細節(jié)在像方組成圖像時

27、調(diào)制度的變化和影響。下一頁上一頁5.2.3 像管性能參數(shù)及其要求 4.成像特性 常用的光電子成像器件MTF經(jīng)驗公式為下一頁上一頁下一頁上一頁5.3 輻射圖像的光電轉(zhuǎn)換5.3.1 光電子發(fā)射的基本理論5.3.2 典型實用光陰極5.3.3 光電發(fā)射的極限電流密度 5.3.4 光陰極面發(fā)射電子過渡過程的分析 下一頁返回5.3.1 光電子發(fā)射的基本理論 光電發(fā)射現(xiàn)象是赫茲于1887年在做電磁振蕩的研究中首先發(fā)現(xiàn)的，并由此開拓了外光電轉(zhuǎn)換技術(shù)。經(jīng)過100多年的大量研究工作，光電發(fā)射的理論得到了不斷的發(fā)展，目前公認(rèn)的光電發(fā)射理論模型是一個三步過程模型（三階段理論）。 下一頁返回5.35.3.1 光電子發(fā)射

28、的基本理論 整個光電發(fā)射的物理過程分為三步： 光電發(fā)射體內(nèi)的電子被入射光子激發(fā)到高能態(tài)； 受激電子向表面運動，在運動的過程中因碰撞而損失部分能量； 到達表面的受激電子克服表面電子親和勢而逸出。 上述三步過程完地描述了光電發(fā)射的物理現(xiàn)象。從這一物理模型可以看出：光電發(fā)射過程的第一步是入射的光子與體內(nèi)的電子相互作用的結(jié)果。 下一頁上一頁5.3.1 光電子發(fā)射的基本理論 光電發(fā)射是大量電子分立地受激、散射和逸出的結(jié)果。 光電發(fā)射所產(chǎn)生的光電子統(tǒng)計特性吻合雙隨機泊松點過程。1. 電子受激躍遷的半經(jīng)典分析2受激電子向表面遷移過程的分析3. 電子逸出表面過程的分析 下一頁上一頁5.3.1 光電子發(fā)射的基本

29、理論1. 電子受激躍遷的半經(jīng)典分析 從光電發(fā)射的物理模型出發(fā)分析第一步過程，定量討論光電子受激躍遷的統(tǒng)計規(guī)律。在建立光電子受激躍遷的統(tǒng)計方程時，采用半經(jīng)典的處理方法。 首先說明入射的光輻射與光電發(fā)射體內(nèi)電子的表達方式。 下一頁上一頁5.3.1 光電子發(fā)射的基本理論1. 電子受激躍遷的半經(jīng)典分析 用半經(jīng)典方式描述光電子受激過程表現(xiàn)為電磁場與電子的相互作用過程，這一作用過程中，電磁場是通過它在原子位置上的電位移矢量D（r，t）來表示。 D（r，t）是一個矢量的實函數(shù)。下一頁上一頁5.3.1 光電子發(fā)射的基本理論1. 電子受激躍遷的半經(jīng)典分析 光電發(fā)射體內(nèi)電子狀態(tài)的表述方式。用量子力學(xué)的方法確定電子

30、的狀態(tài)是通過哈密頓函數(shù)來描述的。其中未受激電子的哈密頓函數(shù)H0，具有一組與能級En相對應(yīng)的本征態(tài)n。這里假定在能級Eb上有一個約束態(tài)b，稱之為電子的基態(tài)。同時假定電子的激發(fā)態(tài)處于一個準(zhǔn)連續(xù)的能帶。所對應(yīng)的分立能級為 (5-40)下一頁上一頁5.3.1 光電子發(fā)射的基本理論1. 電子受激躍遷的半經(jīng)典分析 根據(jù)上述條件，可以定量研究光電發(fā)射的電子從基態(tài)開始的受激躍遷過程。這里假定沒有任何中間能級參與光電子的發(fā)射過程。 令入射輻射所產(chǎn)生的電磁場與電子的相互作用從時間t0時開始。根據(jù)量子力學(xué)的微擾理論，入射輻射將產(chǎn)生一個與時間有關(guān)的擾動哈密頓函數(shù)H1（t）。下一頁上一頁5.3.1 光電子發(fā)射的基本理論

31、1. 電子受激躍遷的半經(jīng)典分析 由于激發(fā)態(tài)是一個準(zhǔn)連續(xù)分布的能帶，可以認(rèn)為是一個近似呈均勻分布的態(tài)密度函數(shù)。因此，（k）可以移到積分號外邊。又因為0是正實數(shù)，所以函數(shù)（k-0）的積分限為0，與-是相等的。因此下一頁上一頁5.3.1 光電子發(fā)射的基本理論1. 電子受激躍遷的半經(jīng)典分析 (5-66)下一頁上一頁5.3.1 光電子發(fā)射的基本理論 上式的結(jié)果表明，光電發(fā)射體內(nèi)電子在光輻射激發(fā)下，受激躍遷的幾率速率（單位時間的幾率）與入射輻射強度A02成正比，與基態(tài)b到激發(fā)態(tài)k（準(zhǔn)連續(xù)帶）的電子躍遷矩陣元成正比，還與基態(tài)和激發(fā)態(tài)的態(tài)密度（k）成正比。下一頁上一頁5.3.1 光電子發(fā)射的基本理論 事實上，

32、光電發(fā)射體內(nèi)電子受激過程是很復(fù)雜的，尤其是半導(dǎo)體光電發(fā)射的受激過程，它可能是來自價帶上的電子，也可能是來自雜質(zhì)能級上的電子以及自由電子。因此，其初態(tài)能級是多種多樣的。上式只是近似證明電子受激發(fā)射的結(jié)果。下一頁上一頁5.3.1 光電子發(fā)射的基本理論2受激電子向表面遷移過程的分析 光電發(fā)射體內(nèi)電子受激后，在其壽命時間內(nèi)要產(chǎn)生遷移運動。電子從受激處向表面遷移的過程中會因散射而損失一部分能量。所產(chǎn)生的散射有：自由電子散射、晶格散射、激子散射等。除此之外，受激電子與體內(nèi)束縛電子發(fā)生非彈性碰撞而產(chǎn)生次級電子-空穴對時，將損失更多的能量。 下一頁上一頁5.3.1 光電子發(fā)射的基本理論 自由電子散射是發(fā)生在金

33、屬光電發(fā)射材料內(nèi)的主要散射，只有靠近光電發(fā)射體表面處的受激電子才能遷移到表面。這表明被激發(fā)電子的逸出深度小，因此金屬的光電發(fā)射特性差，所以一般不使用純金屬作光電發(fā)射材料。與此相反，由于非簡倂的半導(dǎo)體在室溫狀態(tài)下，自由電子很少，因此自由電子散射幾率顯著下降。這樣的半導(dǎo)體光電發(fā)射材料的自由電子散射可以忽略不計，這也是主要光電發(fā)射體都采用半導(dǎo)體材料的原因之一。 下一頁上一頁5.3.1 光電子發(fā)射的基本理論 晶格散射是半導(dǎo)體光電發(fā)射材料中比較主要的一種散射。晶體中晶格振動能量的改變是量子化的，改變量的大小為聲子。通常，受激電子每經(jīng)過一次晶格散射會損失0.0050.1eV的能量，比較可知，它比自由電子散

34、射的損失要小得多。由于兩次晶格散射之間受激電子的平均自由程也較長，因此，半導(dǎo)體光電發(fā)射材料中的受激電子可以遷移較長的距離而不損失過多的能量。下一頁上一頁5.3.1 光電子發(fā)射的基本理論 實驗表明，在距表面百分之幾微米處受激的電子遷移到表面時，平均損失于晶格散射的能量約為1eV，這使得受激電子仍能具有克服表面電子親和勢的能量。因此，半導(dǎo)體光電發(fā)射材料優(yōu)于金屬光電發(fā)射材料，主要表現(xiàn)是受激電子的逸出深度大得多，即表現(xiàn)出很顯著的光電發(fā)射體積效應(yīng)。 下一頁上一頁5.3.1 光電子發(fā)射的基本理論 束縛電子碰撞電離是指受激電子向表面遷移時，與價帶電子或其他束縛能級上的電子發(fā)生碰撞并在一定條件下產(chǎn)生電離，這一

35、碰撞將使受激電子損失較多的能量。一般情況下，引起碰撞電離所需的能量為禁帶寬度Eg的23倍，此能量稱之為產(chǎn)生次級電子-空穴對的閾值能量。通常產(chǎn)生碰撞電離時，受激電子的平均自由程為毫微米數(shù)量級。 下一頁上一頁5.3.1 光電子發(fā)射的基本理論 除上面討論的散射因素外，對受激電子產(chǎn)生影響的還有晶體狀態(tài)的影響，包括：光電發(fā)射材料的晶體缺陷產(chǎn)生的散射、晶體中應(yīng)力產(chǎn)生的散射、在晶粒邊界處產(chǎn)生的散射等。這些散射也將造成受激電子的能量損失。為減少這類散射的損失，應(yīng)嚴(yán)格控制光電發(fā)射體制備的工藝過程。 下一頁上一頁5.3.1 光電子發(fā)射的基本理論3. 電子逸出表面過程的分析下一頁上一頁5.3.1 光電子發(fā)射的基本理

36、論3. 電子逸出表面過程的分析 半導(dǎo)體的光電逸出功Wc不同于熱電子發(fā)射逸出功Wh。根據(jù)定義，T0 K時電子占據(jù)的最高能級是價帶頂，它的光電逸出功Wc是指從價帶頂把電子激發(fā)到導(dǎo)帶并使之逸出表面的最低能量，也就是價帶頂?shù)秸婵漳芗壷g的能量差，即 下一頁上一頁5.3.1 光電子發(fā)射的基本理論3. 電子逸出表面過程的分析 其數(shù)值等于禁帶寬度Eg與電子親和勢EA之和。由此可確定本征半導(dǎo)體在絕對零度時的長波閾（紅限）波長0為 式中，h和c分別表示普朗克常數(shù)和真空中光速。 （5-77）（5-78）下一頁上一頁5.3.1 光電子發(fā)射的基本理論3. 電子逸出表面過程的分析 由以上可知，光電發(fā)射體內(nèi)電子可由小于閾

37、值波長的光子激發(fā)成為灼熱的電子，它經(jīng)散射遷移到真空界面時，如具有克服電子親和勢正EA的能量則可逸出表面，形成光電發(fā)射。 因此，受激電子能否逸出表面主要取決于電子親和勢。 下一頁上一頁5.3.1 光電子發(fā)射的基本理論3. 電子逸出表面過程的分析 半導(dǎo)體表面吸附有其他元素的分子、原子或離子，都可以形成束縛能級，稱之為表面態(tài)。如果吸附層較厚，則在表層形成施主或受主能級，從而構(gòu)成異質(zhì)結(jié)。這些情況都會影響表面處半導(dǎo)體的能帶的變化（彎曲），因此改變了電子逸出表面的狀況，也就改變了電子逸出表面所需要的能量，即改變了它的光電逸出功Wc 。下一頁上一頁下一頁上一頁5.3.1 光電子發(fā)射的基本理論3. 電子逸出表

38、面過程的分析 (1) P型半導(dǎo)體附有N型表面態(tài)表面態(tài)中的電子躍遷到P型半導(dǎo)體的受主能級上，以建立費米能級的平衡。由此導(dǎo)致在外表層形成正的空間電荷區(qū)，在內(nèi)表層形成負(fù)的空間電荷區(qū)。彎曲的能帶有效地減小了導(dǎo)帶底與真空能級之間的能量差。這種結(jié)構(gòu)所產(chǎn)生的熱電子發(fā)射較小，故也有利于降低光陰極的暗發(fā)射。下一頁上一頁5.3.1 光電子發(fā)射的基本理論3. 電子逸出表面過程的分析 （2）N型半導(dǎo)體附有P型表面 N型半導(dǎo)體的費米能級處于導(dǎo)帶底附近，在與表面未建立平衡前，它比表面態(tài)的費米能級高。因此在建立平衡時，表面的受主能級將接受半導(dǎo)體內(nèi)部的電子，由此形成內(nèi)正外負(fù)的空間電荷區(qū)。 下一頁上一頁5.3.2 典型實用光陰

39、極 像管實用光陰極的種類很多，通常是以其敏感的光譜范圍來分類。目前，根據(jù)國際電子工業(yè)協(xié)會標(biāo)準(zhǔn)采用S系列序號來命名各種實用光陰極的光譜響應(yīng)特性。 下一頁返回5.35.3.2 典型實用光陰極紫外及可見光敏感的光陰極的光譜響應(yīng)特性 下一頁上一頁5.3.2 典型實用光陰極可見光敏感的光陰極的光譜響應(yīng)特性下一頁上一頁5.3.2 典型實用光陰極近紅外及可見光敏感的光陰極的光譜響應(yīng)特性 下一頁上一頁5.3.2 典型實用光陰極1銀氧銫（Ag-O-Cs）光陰極 銀氧銫光陰極是1929年最先發(fā)明的一種對近紅外光敏感的實用光陰極，它的光譜響應(yīng)范圍在3001200nm的波長區(qū)域，其響應(yīng)曲線有兩個峰值：短波峰介于300

40、400nm之間，長波峰位于800nm附近。 下一頁上一頁5.3.2 典型實用光陰極1銀氧銫（Ag-O-Cs）光陰極 目前有兩種理論模型用于解釋銀氧銫光陰極的發(fā)射機理：一個是半導(dǎo)體理論模型，另一個是固溶膠理論模型。 由吳全德教授提出的固溶膠理論大大推進了關(guān)于Ag-O-Cs光陰極結(jié)構(gòu)和機理的研究。 下一頁上一頁5.3.2 典型實用光陰極1銀氧銫（Ag-O-Cs）光陰極 固溶膠理淪模型認(rèn)為：在半導(dǎo)體中的雜質(zhì)銀原子，當(dāng)超過一定濃度后，會產(chǎn)生脫溶現(xiàn)象而形成銀膠粒（直徑小于100nm）；銀膠?？梢栽诰Я?nèi)，也可以在晶界上；銀膠粒不是施主，而是一種電子阱，脫溶的膠粒不服從化學(xué)熱力學(xué)而服從于化學(xué)動力學(xué)，即溫度

41、升高時膠粒體積增大合并但過程不可逆。 下一頁上一頁5.3.2 典型實用光陰極1銀氧銫（Ag-O-Cs）光陰極銀氧銫光陰極的結(jié)構(gòu)是：大量的銀膠粒和銀顆粒（直徑大于100nm）分散埋藏在Cs2O半導(dǎo)體層中，其表面附有單原子銫層下一頁上一頁5.3.2 典型實用光陰極1銀氧銫（Ag-O-Cs）光陰極 銀氧銫光陰極在波長小于350nm的紫外區(qū)域的光電發(fā)射是在薄Cs2O層中產(chǎn)生的，Cs2O在其發(fā)射過程中只起到降低逸出功的作用。在對波長超過400nm的輻射，其光電發(fā)射來源于埋藏在Cs2O中的小銀膠粒的貢獻，銀膠粒被Cs2O層所包圍，其界面位壘由金屬與半導(dǎo)體接觸而形成，對于波長大于1100nm的光電發(fā)射，通常

42、則認(rèn)為是來自Cs2O中的Cs雜質(zhì)能帶以及表面吸附銫的貢獻。下一頁上一頁5.3.2 典型實用光陰極2銻銫（Sb-Cs）光陰極 1936年研制出的銻銫光陰極其光譜響應(yīng)在大部分可見光區(qū)和紫外區(qū)，長波閾值接近650nm。峰值光譜靈敏度處于藍光和紫外波段，峰值的量子效率接近20。根據(jù)所用的窗口材料的不同而有不同的光譜特性。在S系列中包括S-4，S-5，S-11，S-13，S-17和S-19等多種編號。下一頁上一頁5.3.2 典型實用光陰極2銻銫（Sb-Cs）光陰極1玻璃襯底；2Cs缺陷或銻原子；3表面吸附的Cs原子 下一頁上一頁5.3.2 典型實用光陰極2銻銫（Sb-Cs）光陰極 CsSb層的化學(xué)組成為

43、Cs3Sb，它是由平均尺寸約為7.58.5nm的Cs3Sb半導(dǎo)體微晶構(gòu)成的多晶薄膜， Cs3Sb的禁帶寬度為1.6eV。銻銫光陰極的光電發(fā)射主要來自價于帶中的受激電子，屬于本征光電發(fā)射。這可以通過光譜響應(yīng)在200600nm范圍內(nèi)很平坦來解釋。在該區(qū)域內(nèi)，光的吸收因數(shù)很高，約為105cm-1量級。下一頁上一頁5.3.2 典型實用光陰極 銻銫光陰極的表面附有銫的單原子層。這一單原子層能進一步降低電子親和勢。這是因為銫的電離能小于銻銫半導(dǎo)體的熱逸出功函數(shù)，所以銫原子的價電子要轉(zhuǎn)移到銻銫半導(dǎo)體內(nèi)的受主上。由此半導(dǎo)體形成了負(fù)的空間電荷區(qū)而使表面處能帶向下彎曲。在表面態(tài)的能級上由于銫的正離子和負(fù)空間電荷區(qū)

44、之間構(gòu)成一個偶極層，從而導(dǎo)致沿偶極層的電位下降，促使電子親和勢由EAtrue降為EAeff。一般說來銻銫光陰極的電子親和勢EA0.45eV。 下一頁上一頁銻銫光陰極表面能帶圖 下一頁上一頁5.3.2 典型實用光陰極3. 多堿光陰極 銻與一種以上的堿金屬結(jié)合可獲得比單堿銻銫光陰極更高的量子效率，其中有雙堿、三堿和四堿等，統(tǒng)稱為多堿光陰極。這類光陰極在可見光波段有很高的量子效率，峰值量子效率接近30。 下一頁上一頁5.3.2 典型實用光陰極 3. 多堿光陰極 Sb-K-Na-Cs光陰極不僅量子效率高，而且有寬得多的光譜響應(yīng)范圍，其長波閾已擴展到近紅外區(qū)域。編號為S-20的Sb-K-Na-Cs光陰極

45、基本上按Sb、K、Na、Cs的順序激活。光陰極的電子親和勢為0.55eV。 Sb-K-Na-Cs 光陰極在長波閾附近也有明顯的非本征光電發(fā)射。下一頁上一頁5.3.2 典型實用光陰極多堿光電陰極表面能帶結(jié)構(gòu)(a)無表面Cs層； (b)有表面Cs層 下一頁上一頁5.3.2 典型實用光陰極 3. 多堿光陰極 在很多Sb-K-Na-Cs光陰極的應(yīng)用領(lǐng)域中，特別是在夜視技術(shù)中，要求陰極增強其紅光與紅外響應(yīng)，以提高系統(tǒng)的探測能力。經(jīng)過改進的多堿光陰極可以通過調(diào)整光陰極的厚度來改善它的光譜響應(yīng)特性。有效地利用了長波光子的吸收距離，從而可以將光陰極的長波閾延伸到0.9m以上，且光電靈敏度也顯著提高。下一頁上一

46、頁5.3.2 典型實用光陰極4.負(fù)電子親和勢（NEA）光陰極 自負(fù)電子親和勢光陰極理論于1963年提出以來，研究者用銫吸附在P型GaAs表面得到了零電子親和勢，其后又有人對GaAs表面以Cs和O2交替激活，得到了負(fù)電子親和勢，通常用縮寫NEA來表示的負(fù)電子親和勢光陰極。 下一頁上一頁5.3.2 典型實用光陰極4.負(fù)電子親和勢（NEA）光陰極 目前，制成負(fù)電子親和勢的半導(dǎo)體材料有兩類：一類是化學(xué)元素周期表中的族和族元素的化合物單晶半導(dǎo)體；一類是硅單晶半導(dǎo)體。兩類都是通過吸附Cs、O表面層來形成負(fù)電子親和勢。 下一頁上一頁5.3.2 典型實用光陰極4.負(fù)電子親和勢（NEA）光陰極下一頁上一頁5.3

47、.2 典型實用光陰極4.負(fù)電子親和勢（NEA）光陰極 從真空界面來看，它的第一層是單分子的CsO層。第二層是GaAs單晶外延層，其構(gòu)成光電發(fā)射體。第三層是AlGaAs單晶層，它是為生成良好的單晶態(tài)GaAs層而設(shè)置的基底層。AlGaAs與GaAs兩者有良好的晶格匹配，從而能有效地減少光陰極后界面處受激電子的復(fù)合速率，保證光電發(fā)射的性能。 下一頁上一頁5.3.2 典型實用光陰極4.負(fù)電子親和勢（NEA）光陰極 到目前為止，對于Cs、O在-族化合物表面上存在的形態(tài)，以及它們使逸出功降低并形成負(fù)電子親和勢的理論，仍有著不同的看法。下面主要介紹兩種理論模型：異質(zhì)結(jié)構(gòu)理論模型和偶極層理論模型。 異質(zhì)結(jié)理論

48、模型認(rèn)為，GaAs層通過重?fù)诫s構(gòu)成P型半導(dǎo)體，它的表面先吸附單原子的Cs層，再吸附一層Cs2O層。下一頁上一頁5.3.2 典型實用光陰極4.負(fù)電子親和勢（NEA）光陰極Cs2O異質(zhì)結(jié)能帶 下一頁上一頁5.3.2 典型實用光陰極4.負(fù)電子親和勢（NEA）光陰極 偶極層模型與異質(zhì)結(jié)模型不同，認(rèn)為表面吸附的Cs和Cs2O層只是單原子及分子層。對于這樣的薄層，應(yīng)當(dāng)用偶極層來解釋。 下一頁上一頁NEA光電陰極的雙偶極層模型(a)GaAs的表面結(jié)構(gòu); (b)GaAs的能帶模型 下一頁上一頁5.3.2 典型實用光陰極4.負(fù)電子親和勢（NEA）光陰極 負(fù)電子親和勢光陰極的光電子逸出過程是受激電子的擴散過程。由

49、于擴散是無規(guī)則的熱運動，加上濃度梯度的作用，實際上將趨向于定向運動。若有內(nèi)部電場存在時，必然會加速或阻礙擴散運動。光陰極產(chǎn)生內(nèi)部電場的因素有外電場滲透到半導(dǎo)體中引起體內(nèi)附加電場、表面的偶極子層、表面態(tài)造成的表層能帶彎曲等。上述各項因素都有利于受激電子向真空界面擴散。 下一頁上一頁5.3.2 典型實用光陰極5.紫外（UV）光陰極 紫外輻射與可見光并沒有本質(zhì)上的區(qū)別，只是由于紫外輻射的光子能量高而產(chǎn)生了一些特殊要求。 首先是對窗口材料的要求。紫外光陰極器件的短波截止波長，一般取決于窗口材料的光譜透過性質(zhì)。 下一頁上一頁5.3.2 典型實用光陰極5.紫外（UV）光陰極透紫外窗口材料的光譜透射比曲線

50、下一頁上一頁5.3.2 典型實用光陰極5.紫外（UV）光陰極 其次，為了抑制背景輻射的干擾作用，在實際應(yīng)用中，通常要求紫外光陰極“日盲”，即對太陽輻射沒有響應(yīng)。用于大氣層中時，應(yīng)對波長350nm以上的輻射無響應(yīng)。用于外層空間中時應(yīng)對波長200nm以上的輻射無響應(yīng)。有時，還要求紫外光陰極應(yīng)是“萊曼盲”的，即對121.6nm的萊曼輻射沒有響應(yīng)。下一頁上一頁5.3.2 典型實用光陰極5.紫外（UV）光陰極 紫外光陰極一般按光譜響應(yīng)范圍分為400200nm，200104nm和104nm 以下三類。 在400200nm波段工作的“日盲”紫外光陰極，常用的僅有Cs2Te和Rb2Te兩種。它們以半透明形式應(yīng)

51、用于光電子器件中時，量子效率值均約為8，并有相似的光譜響應(yīng)特性，但Cs2Te的長波截止波長比Rb2Te稍長些。 下一頁上一頁5.3.2 典型實用光陰極5.紫外（UV）光陰極透射式日盲紫外光陰極的光譜響應(yīng) 下一頁上一頁5.3.2 典型實用光陰極5.紫外（UV）光陰極 工作于200104nm中紫外波段的堿金屬鹵化物光陰極，當(dāng)它以透射式應(yīng)用在LiF或MgF2窗口的器件中時，在近130nm波長處的峰值量子效率為10左右，各種堿金屬鹵化物紫外光陰極可根據(jù)使用要求選定，其長波截止波長由150nm（NaCl）到200nm（CsI）不等。而銅的鹵化物則給出銳利的長波截止，因而可更好地鑒別出長波背景輻射。在像管

52、中，它的峰值量子效率約為CsI的一半。 下一頁上一頁5.3.2 典型實用光陰極5.紫外（UV）光陰極 透射式紫外光陰極的光譜響應(yīng)(a)堿金屬鹵化特紫外光陰極；(b)銅的鹵化物紫外光陰極 下一頁上一頁5.3.2 典型實用光陰極5.紫外（UV）光陰極 104nm以下的遠紫外光陰極，又稱“萊曼盲”光陰極，目前尚無可用之窗口，因而只能做成反射式的。 利用堿金屬鹵化物和堿土金屬鹵化物均可制成對遠紫外輻射敏感的光陰極。 所有紫外光陰極薄膜本身的電阻都很大，因此在制作透射式光陰極時，必須預(yù)先在窗口基底上沉積一層透紫外的金屬導(dǎo)電膜。 下一頁上一頁5.3.3 光電發(fā)射的極限電流密度 在工作狀態(tài)下，像管維持光電發(fā)

53、射要依賴于光陰極的真空界面有向內(nèi)的電場場強。這一電場是由電子光學(xué)系統(tǒng)提供的。光陰極的光電發(fā)射將產(chǎn)生空間電荷，此空間電荷所形成的附加場與電子光學(xué)系統(tǒng)的電場方向相反。隨著光電發(fā)射電流密度的增大，空間電荷的電場會增加到足以抵消電子光學(xué)系統(tǒng)所提供的電場。如果忽略光電子的初速度，當(dāng)光陰極面的法向場強為零時，光電發(fā)射就要受到抑制，這時像管的光電發(fā)射將呈飽和狀態(tài)。這一電流密度稱之為光電發(fā)射的極限電流密度。下一頁返回5.35.3.3 光電發(fā)射的極限電流密度 以像管光陰極面的中心為原點，坐標(biāo)的x軸垂直于光陰極面，y軸和z軸沿光陰極面。在此坐標(biāo)的（x，0，0）點處取一微小體積dVdxdydz。穿過這一微小體積的電

54、力線通量N為 式中，E（x）為像管電子光學(xué)系統(tǒng)產(chǎn)生的軸向電場強度分布函數(shù)。 （5-90）下一頁上一頁5.3.3 光電發(fā)射的極限電流密度 由于E（x）和v（x）都可由像管的電位分布函數(shù)u（x）來表示。該式變?yōu)樯鲜绞窍窆馨l(fā)射光電流時電場電位分布的微分方程。式中m和e分別是電子的質(zhì)量和電荷。 （5-94）下一頁上一頁5.3.3 光電發(fā)射的極限電流密度 利用極限光電發(fā)射的條件，即x0時，du（x）/dx0。再由像管中電子光學(xué)系統(tǒng)的邊界條件可知，當(dāng)x0時，u（x）0?？纱_定式（5-92）中的C10。則得到（5-97）下一頁上一頁5.3.3 光電發(fā)射的極限電流密度 由x0時，u（x）0的邊界條件，可確定C

55、20。得到微分方程的全解此式即為像管處于連續(xù)工作狀態(tài)下的光電發(fā)射極限電流密度關(guān)系式。 （5-99）下一頁上一頁5.3.4 光陰極面發(fā)射電子過渡過程的分析 像管處于選通工作狀態(tài)或輸入突變的圖像時，在光陰極中心區(qū)將產(chǎn)生光電轉(zhuǎn)換的動態(tài)過渡過程。這一過程簡述如下：像管的光陰極是半導(dǎo)體薄膜，具有較高的面電阻。當(dāng)光陰極中心區(qū)接受瞬間強輻射而產(chǎn)生光電發(fā)射時，將失去大量的電子。下一頁返回5.3 由于光陰極的面電阻很高，在瞬間不能及時從電源補充上所失去的負(fù)電荷，故光陰極中心區(qū)的電位將升高，造成光陰極面的電位不等。由此改變了電子光學(xué)系統(tǒng)的聚焦電場，導(dǎo)致電子圖像的像變和失真。 下面利用等效電路分析這一光電轉(zhuǎn)換的過渡

56、過程。 下一頁上一頁5.3.4 光陰極面發(fā)射電子過渡過程的分析5.3.4 光陰極面發(fā)射電子過渡過程的分析 電流I表示光陰極中心區(qū)發(fā)射的光電流，光陰極與像管金屬零件間構(gòu)成等效電容C，光陰極的面電阻等效為電阻R。當(dāng)光陰極中心產(chǎn)生階躍函數(shù)的光電流時，其中心區(qū)的電位變化函數(shù)u（t）可由下面的結(jié)點電流微分方程來確定 （5-106）下一頁上一頁5.3.4 光陰極面發(fā)射電子過渡過程的分析 利用等效電路的初始條件，當(dāng)t0時， u（t）0， 式中，RC為像管光電發(fā)射過渡過程的時間常數(shù)。所確定的u（t）值定量描述了光陰極中心區(qū)的電位變化量，該值是時間t的函數(shù)。（5-107）下一頁上一頁5.3.4 光陰極面發(fā)射電子

57、過渡過程的分析 通常,根據(jù)像管允許的像差可確定出最大的陰極電位變化量um?？汕蟪鱿窆茉试S的陰極中心區(qū)最大發(fā)射電流值Im。 （5-108）下一頁上一頁5.3.4 光陰極面發(fā)射電子過渡過程的分析 當(dāng)像管處于選通工作或輸入強光，其工作脈沖持續(xù)時間為tm時，像管允許的陰極中心區(qū)最大發(fā)射電荷量Qm為 （5-109）下一頁上一頁5.3.4 光陰極面發(fā)射電子過渡過程的分析 根據(jù)式（5-109）可具體分析光電發(fā)射過渡過程對像管工作特性的影響。下面分兩種情況進行討論： 當(dāng)像管工作脈沖時間tp如遠小于光電發(fā)射過渡過程的時間常數(shù)RC，即tpRC時，可以略去（-tp/RC）的高次項，得到（5-111）下一頁上一頁5.

58、3.4 光陰極面發(fā)射電子過渡過程的分析 這一結(jié)果表明，像管允許的光電發(fā)射最大電荷量與光陰極對地的等效電容成正比。因此在超短工作脈沖的像管中，應(yīng)盡量增大光陰極對地的電容，以改善光電發(fā)射的過渡過程。具體措施有：a.在光陰極輸入窗的外表面制作一層透明的導(dǎo)電層； b.采用網(wǎng)狀柵極及減小陰極與柵極間距； c.采用高介電常數(shù)的材料制作輸入窗及減小輸入窗的厚度。 下一頁上一頁5.3.4 光陰極面發(fā)射電子過渡過程的分析 當(dāng)像管工作脈沖時間tp遠大于光電發(fā)射過渡過程的時間常數(shù)RC，即將tp RC時 （5-112）下一頁上一頁5.3.4 光陰極面發(fā)射電子過渡過程的分析 這一結(jié)果表明，在像管工作脈沖較長時，光陰極的

59、面電阻將嚴(yán)重影響光電發(fā)射的過渡過程。為此工作于強光輸入狀態(tài)的像管，其光陰極的等效電阻不得過大，通常要求光陰極的方塊電阻值應(yīng)小于103/。 下一頁上一頁5.4 電子圖像的成像理論 像管光陰極發(fā)出的電子圖像通過電子光學(xué)系統(tǒng)的作用聚焦成像到輸出像面上并完成電子圖像的能量增強。電子光學(xué)系統(tǒng)也稱為電子透鏡。在電子光學(xué)理論中，研究電子束聚焦、偏轉(zhuǎn)、成像，起著電子透鏡和電子棱鏡作用的分支稱為弱流細束電子光學(xué)。由于其分析方式與幾何光學(xué)相似，故也稱之為幾何電子光學(xué)。下一頁返回5.4 電子圖像的成像理論 弱流細束電子光學(xué)的主要研究內(nèi)容包括：解決電子光學(xué)系統(tǒng)中場的分布（等價于幾何光學(xué)中的折射率分布）問題；研究電子的

60、運動規(guī)律和運動軌跡；討論理想成像和各種特殊類型的電子透鏡等及其像差理論。下一頁上一頁5.4 電子圖像的成像理論 討論和研究弱流細束電子光學(xué)的條件如下： 場為靜場，即場與時間無關(guān)或隨時間變化甚慢，換言之，靜場只是空間坐標(biāo)的函數(shù)； 在真空中； 忽略電子束本身空間電荷（或電流）分布對場的影響； 電子速度遠小于光速，即不考慮相對論修正。下一頁上一頁5.4 電子圖像的成像理論5.4.1 電子光學(xué)基礎(chǔ)5.4.2 旋轉(zhuǎn)對稱場中的場方程5.4.3 靜電磁場中帶電粒子的運動5.4.4 旋轉(zhuǎn)對稱電子光學(xué)系統(tǒng)的成像 5.4.5 普遍情況下電子光學(xué)系統(tǒng)的折射率5.4.6 電子透鏡5.4.7 典型電子光學(xué)系統(tǒng)分析 上一