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变像管的工作原理、特性及应用光科XXX班，XXX，1302100213摘要：本文讨论了变像管的工作原理、相关特性和近现代的相关应用，对变像管做了比较详细的介绍。另外也对扫描变像管的基本原理做了基本介绍。变像管是为了扩展人眼视见范围和视见能力而发展起来的，它能探测到人眼不可见的目标辐射信号，又能将目标满意地进行成像，使人眼能看到再现的目标图像。而扫描变像管则是显示讯号随时间变化的过程。关键词：变像管，扫描变像管，光阴极，电子光学系统，荧光屏，特性Keywords: image converter, time-scanned image converter ,photocathode, screen, features1、变像管工作的物理过程变像管是像管的一种，而像管包括变像管和像增强管两大类。1934年，G.霍尔斯特等人制出第一只红外变像管。其主要功能是完成图像的电磁波谱转换。变像管实现图像的电磁波谱转换是通过三个环节来完成的。首先是将接受的不可见输入辐射图像转换成电子图像；其次是使电子图像获得能量或数量增强，并聚焦成像；第三是将增强的电子图像转换成可见的光学图像。上述三个环节分别由光阴极、电子光学系统和荧光屏完成。这三部分共同封装在一个高真空的管壳内。图1 变像管成像原理示意图1.1、辐射图像的光电转换像管利用外光电效应将输入的辐射图像转换为电子图像，因此像管的输入端面是采用光电发射材料制成的光敏面。该光敏面接收辐射量子产生电子发射。所发射的电子流密度分布正比于入射的辐射通量分布。由此完成辐射图像转换为电子图像的过程。由于电子发射需要在发射表面有法向电场，所以光敏面应接以负电位。这一光敏面通常称为光阴极。变像管中常用的光阴极是透射型的，即入射辐射从像管的入射端面射进来，所以这类光阴极是半透明的。外光电效应其特点包括两方面的内容：（1）斯托咧托夫定律：当入射光的频率或频谱成分不变时，光电发射体单位时间内发射出的光电子数或饱和光电流与入射光的强度成正比，即：式中，为比例系数，即通常的光电（谱）灵敏度（单位：）；为单位时间内照射到光电发射体上的能量（单位：）。该定律表明：入射光越强，其产生的光电发射越大。（2）爱因斯坦定律：光电发射出来的光电子的最大初动能与入射光的频率成正比，与入射光的强度无关，即： 式中为电子的质量；为光电子的最大初速度；为普朗克常数；为截止频率（或红限频率）。该定律表明：当入射频率低于时，不论光强如何都不会产生光电发射。斯托列夫定律和爱因斯坦定律揭示了光电转换过程的光电转换关系和光谱响应范围。光阴极进行图像转换的简要物理过程是：当具有能量为的辐射量子入射到半透明的光电子发射体内，与体内电子产生非弹性碰撞而交换能量。当辐射量子的能量大于电子产生跃迁的能量时，电子被激发到受激发态。这些受激电子向真空界面迁移，由于半导体中自由电子数量很少，所以产生自由电子散射的几率很小，只有在迁移中与晶格产生相互作用，由于声子散射而引起少量的能量损失；如果电子在到达真空界面仍有克服电子亲和势的能量，就可以发射到真空中，成为光电发射的电子。对具有负电子亲和势的光阴极，则不需要克服电子亲和势的能量。由光电发射的斯托列托夫定律刻制，饱和光电发射的光电子流密度与入射辐射通量密度成正比。因此，由入射辐射分布构成的图像可以通过光阴极变换成由光电子流分布构成的图像，这一图像称为光电子图像。1.2、电子图像的能量增强变像管中的电子图像通过特定的静电场或电磁复合场获得能量增强。由光阴极的光电发射产生的电子图像，在刚离开光阴极面时是低速运动的电子流，其初速度由爱因斯坦定律所决定。这一低能量的电子图像在静电场或电磁复合场的洛伦兹力作用下得到加速并聚焦到荧光屏上。在到达像面时是高速运动的电子流，能量很大。由此完成了电子图像的能量增强。像管中特定设置的静电场或电磁复合场称之为电子光学系统。由于它具有聚焦电子图像的作用，故又被称之为电子透镜。像管中常用的电子光学系统有：纵向均匀电场的投影成像系统；轴对称的静电聚焦成像系统；准球对称的静电聚焦成像系统；旋转对称的电磁场复合聚焦成像系统。有些像管中还使用了微通道板，通过电子图像的电子流密度倍增来进行图像增强。1.3、电子图像的发光显示变像管输出的是可见光学图像。为把电子图像转换成可见的光学图像，通常采用荧光屏。能将电子动能转换成光能的荧光屏是由发光材料的微晶颗粒沉积而成的薄层。荧光屏是利用掺杂的晶体磷光体受激发光的物理过程，将电子图像转换为可见的光学图像。掺入微量重金属离子作杂质时（如铜、银等）会有较强的受激发光特性。这是由于杂质的掺入对相邻基质的能态产生微扰而出现了局部能级。由这些局部能级构成了受激发光过程所需要的基态能级。通常称之为发光中心。当变像管中高速电子轰击荧光屏是，晶态磷光体基质中的价带电子受激跃迁到导带，所产生的电子和空穴分别在导带和价带中扩散。当空穴迁移到发光中心的基态能级上时，就相当于发光中心被激发了。而在导带中的受激电子有可能迁移到这一受激的发光中心，产生电子和空穴的复合而放出光子。所发射的光波波长是由发光中心基态与导带的能量差所决定。由于发光中心基态能级的分散，使辐射的波长具有一定的分布，通常掺杂的晶态磷光体的发光光谱呈钟型分布。变像管中常用的荧光屏不仅应该具有高的转换效率，而且它的发射光谱要和眼睛或与之耦合的光阴极的光谱响应相一致。实验证明，荧光屏由高速电子激发发光的亮度除与发光材料的性质有关外，主要取决于入射电子流的密度和加速电压值。2、扫描变像管的基本原理原则上讲，扫描变像管技术属于示波技术，这是因为它是用来显示讯号随时间变化的过程。但它又不同于通常的示波技术：通常的示波技术是以加在偏转系统上的电压波形为讯号载体，而扫描变像管则是以电子束为讯号的载体；通常的示波技术只能给出一维的时间信息而没有空间分辨能力，扫描变像管可以同时给出一维的连续的时间信息和一维的空间信息。图2 扫描变像管的工作原理它由光电阴极、加速系统、聚焦系统、偏转系统和荧光屏等部分组成。物镜将瞬态光源A的像成在狭缝上，狭缝取出A的一维空间信息通过中继透镜成像在变像管的光电阴极上。当光电阴极上的狭缝部分被A所发出的光脉冲照明时，这一部分将发射光电子，并且光电子的瞬间发射密度正比于该时刻的光脉冲强度，所产生的光电子脉冲的持续时间就是入射光脉冲的持续时间，因此光电阴极发出的电子脉冲在时空结构上是入射光脉冲的复制品。只要设法测出电子脉冲的时空结构，就可以得到入射光脉冲的时空结构。电子脉冲从阴极上发出，经静电聚焦系统聚焦后，进入偏转系统。偏转系统上加有随时间线性变化的斜坡电压，由于不同时刻进入偏转系统的电子受到不同偏转电压的作用，电子束到达荧光屏时，将沿垂直于狭缝的方向展开，这一方向对应于时间轴，因此可以得到狭缝每一点展开的时间信息。为了保证电子脉冲和斜坡电压的同步，在光路中引入分束器，该分束器将一部分光送入物镜，另一部分光送入PIN管，由于PIN输出的电脉冲经可变延时器适当延时后触发斜坡电压发生器。电子经前面的系统加速度后轰击荧光屏，转换为可见光。荧光屏输出的狭缝扫描图像，一般采用接触照相或CCD实时读出系统记录。由于电子束比任何机械结构在运动中具有小得多的惯性，而利用超快速开关元件很容易产生瞬变电场所需的电压波形，所以扫描变像管技术可以获得极高的时间分辨率，达到飞秒级别。3、变像管的特性变像管是为了扩展人眼视见范围和视见能力而发展起来的，它能探测到人眼不可见的目标辐射信号，又能将目标满意地进行成像，使人眼能看到再现的目标图像。因此，变现管既是一个辐射探测器、放大器，同时又是一个成像器。作为辐射探测器，它应具有高的量子效率和信号放大能力，以提供足够的亮度。这一性能通常用灵敏度和亮度增益来描述；作为成像器，它必须具有小的图像几何失真，适当的几何放大率，尽可能小的亮度（能量）扩散能力，以提供足够的视角和对比。这些性能通常用畸变、放大率、分辨力及调制传递函数来描述。3.1、光谱响应特性光谱响应特性是指变像管的响应能力与入射波长的对应关系。变像管的光谱响应特性实际上是其光阴极的光谱响应特性，它决定了变现管工作的光谱范围。变像管的光谱响应特性通常用光谱响应率、量子效率、光谱特性曲线等来描述，变像管的光谱响应之和称之为积分响应率（或光电灵敏度）。响应率是像管对全色入射辐射的响应能力，用表示，即： 其中： ，式中，称为光谱匹配系数，它反映了在像管响应的波长范围内，光源与光阴极，荧光屏与光阴极及荧光屏与人眼光谱光视效率之间在光谱上的吻合程度，如果匹配良好就能获得高的响应度。3.2、增益特性变像管输出的图像亮度主要取决于像管本身对辐射能量的变换与增强能力，主要分亮度增益、辐射亮度增益和光通量增益，而亮度增益是最基本的。变像管的亮度增益即变像管在标准光源照射下，荧光屏上的光出射度M与入射到光阴极面上的照度之比，即：（倍）。3.3、背景特性变像管的输出亮度中存在一种非成像的附加亮度，称之为背景（分为暗背景和光致背景）。（关于背景的相关内容在此不做详细讨论。）利用参数：等效背景照度和对比恶化系数来描述背景对变像管图像的对比影响。（1）等效背景照度：是荧光屏亮度等于暗背景亮度值时光阴极面上的输出照度值称为等效背景照度。设变像管的亮度增益为，在变像管的光阴极面没有受到照射时，测得荧光屏暗背景亮度为，则等效背景照度为：。（2）对比恶化系数：背景使像质下降的程度可用对比恶化系数描述，即：。3.4、成像特性同样作为图像探测器的变像管应该具有好的成像特性。像管在完成转换与增强的过程中，由于非理想成像，所以输出图像的几何尺寸、形状及亮度分布不能准确地再现输入辐照度分布，而使图像像质下降，这种像质下降主要表现在几何形状及亮度分布的失真，通常用放大率、畸变、分辨力和调制传递函数来描述。3.4.1、放大率变像管的放大率指的是变像管输出端输出的图像线性尺寸与其对应的输入端图像的线性尺寸之比，即：，因此放大率是表征变像管对图像几何尺寸放大或缩小能力的一个性能参数。3.4.2、畸变由于变像管采用静电聚焦电子光学系统，它的边缘放大率比近轴放大率大，所以在输出端图像产生畸变，以表示畸变程度，即：，式中，为距光阴极中心特定半径处的放大率；为中心放大率。3.4.3、分辨力变像管的分辨力是指高对比度的标准测试图案聚焦在变像管的光阴极面上，通过目视的方法观察荧光屏上每毫米尺度包含的能够分辨开的黑白相间等宽距形条纹的对数。3.4.3、调制传递函数（略写）一般通过光学系统的输出像的对比度总比输入像的对比度要差，这个对比度的变化量与空间频率特性有密切的关系。把输出像与输入像的对比度之比成为调制传递函数（Modulation Transfer Function，MTF），即MTF的定义是MTF=输出图像的对比度/输入图像的对比度因为输出图像的对比度总小于输入图像的对比度，所以MTF值介于01之间。调制传递函数可用于表示光学系统的特征，MTF越大，表示系统的成像质量越好。4、变像管的应用变像管作为一种电子光学成像器件，具有其它光机式的高速摄影技术难以具有的特点：（1）变像管高速摄影能够实现波长转换，如果在变像管中选用不同的光电发射体和荧光材料，就可以进行各种不同波段的摄影。变像管的光谱响应范围可以覆盖从红外、可见光、紫外、软硬X射线一直到中子射线的整个光谱范围；（2）利用增加电子动能或配用电子倍增器（如微通道板等）的方法，就可以实现亮度增强，可以对弱光目标进行拍摄，这一点为变像管高速摄影所独有，是其它高速摄影难以比拟的，目前像增强器的灵敏度可以做到记录单个光子；（3）拍摄频率高，曝光时间短，由于电场与磁场对电子束的作用极为迅速，变像管的拍摄频率可以达到108-1011；（4）图像数据可以实现实时输出，由于变像管荧光屏的面积有限，位置固定，对其输出图像可以用CCD相机及计算机进一步的数据处理实现实时读出。正是由于这一系列特点，变像管高速摄影在核武器研究，受控热核反应研究，非线性光学，激光核聚变等方面具有较大的使用价值。根据变像管的工作波段可分为：红外变现管、紫外变像管、X射线变现管、射线变像管，它们可分别将不可见的红外图像。紫外图像。X射线图像、射线图像转换为可见的光学图像。而按其结构，可分为：近贴式、选通式、电磁复合聚焦式等。变像管是为了扩展人眼视见范围和视见能力而发展起来的，它能探测到人眼不可见的目标辐射信号，又能将目标满意地进行成像，使人眼能看到再现的目标图像。红外变像管主要用于军事、公安等方面的红外夜视仪器；暗室管理、物理实验、激光器校准和夜间生物活动的观察。紫外变像管主要是和光学显微镜结合起来，用于医学和生物学等方面的研究。X射线像增强器常用在医疗诊断和工业探伤等方面。参考文献1 邹异松，电真空成像器件及理论分析，北京：国防工业出版社，1989.2 白廷柱，金伟其，光电成像原理与技术，北京：北京理工大学出版社，2005，p122-2093 邹异松，刘玉凤，白廷柱。光电成像原理，北京：北京理