Микроканальная пластина

Мы предполагаем, что распределение по энергиям и углам первичных фотоэлектронов, испущенных с GaАs фотокатода, подчиняются бета-распределению и ламбертовскому распределению соответственно. Диапазон распределения начальных энергий фотоэлектронов приблизительно 0,2 -1,6 эВ, а диапазон распределения начальных углов для фотоэлектронов от -87° до 87°. Напряжение и расстояние входного промежутка - 400В и 0,2 мм соответственно. Мы рассчитываем траекторию электрона для каждой энергии с шагом 0,1 эВ и угла 6°. Таким образом, получается 435 типов траекторий электронов. Количество электронов для каждой траектории электронов можно получить из произведения уравнения (2) и уравнения (3), которое является весовым коэффициентом каждого электрона с разной энергией и разным углом. Распределение 435 типов электронов по входной поверхности МКП рассчитывается, как показано на рисунке 6.

Рисунок 6 - Распределение электронов по входной поверхности МКП

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 Дх - 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.



Рисунок 7 - ФРЛ распределения электронов на входной поверхности МКП

Как показано на рисунке 4, фотоэлектроны с первичной энергией соответствующей в1,8 распределению сосредоточены вместе, что согласуется с разбросом по энергиям фотоэлектронов, испущенных GaAs фотокатодом. Вычисляется и аппроксимируется ЧКХ для в1,8 распределения, как показано на Рисунке 6.

Рисунок 8 - ЧКХ бета-распределений короткофокусной электронно-оптической системы



Аппроксимирующее выражение ЧКХ для в1,8 распределения следующее:

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

Рисунок 9 - ЧКХ для в1,8 распределения: сплошной линией показана расчетная кривая, пунктирной линией - аппроксимирующая кривая



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.

Рисунок 10 - Относительная погрешность между аппроксимирующей кривой и расчетной кривой



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.

Установка для измерения ЧКХ изделия «Канал» состоит из двух основных частей: оптической скамьи и измерительной фотоэлектрической установки. В оптическую скамью входят шаровой осветитель, прямоугольная щель шириной 100 мкм, держатель ЭОП и микрообъектив с увеличением 10х. Измерительная установка включала в себя микрообъектив с увеличением 10х, блок с ФЭУ, регистрирующий блок «Вега» (с вращающимся диском с синусоидальными мирами), который непосредственно рассчитывал значения КПК для четырех пространственных частот. В процессе запуска установки блок «Вега» вышел из строя. Восстановить его до сегодняшнего дня не представляется возможным из-за отсутствия принципиальных электрических схем. Измерительный блок с ФЭУ и мирами был заменен на другой, где миры были прямоугольными, а сигнал с ФЭУ усиливался и выводился на самописец. Самописец был заменен на быстродействующий цифровой мультиметр «Agilent», информация с которого выводилась непосредственно в программу «MS Exel» на ноутбук, где строилось распределение сигнала. С помощью специального программного обеспечения, написанного стажерами лаборатории специзмерений распределение обсчитывалось с получением значений КПК на трех пространственных частотах.

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:

Инверторный ЭОП 2 поколения ЭПМ-56 Г «Овод» с ВИП №664242/1750 , производства завода «Гран» (выпуска 1991 г.);

Вакуумный блок 2+ поколения №060331 , производства «Экран-ОС».

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

Рисунок 11 - Структурная схема установки ЧКХ ЭОП: 1 - осветитель; 2 - диафрагма с щелью; 3 - входная оптика (микрообъектив 10х); 4 - ЭОП; 5 - держатель ЭОП; 6 - выходной микрообъектив (10х); 7 - мира (анализирующий растр); 8 - ФЭУ; 9 - регистрирующее устройство (мультиметр); 10 - ПК

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 Гэо - оптическое увеличение,

в вых.об - увеличение микрообъектива,

Pмиры - период элемента

Таблица 1 - Значения разрешающей способности, приведенной к плоскости фотокатода ЭОП

№ группы элементов миры	Ширина чёрного штриха, мм	Ширина белого штриха, мм	Период элемента (белый + черный штрих) Pмиры, мм	Электронно-оптическое увеличение ЭОП, Гэо	Увеличение микрообък-ва, ввых.об	N, штр./мм
1	0,273	0,311	0,584	1	10	17,1
2	0,67	0,71	1,38			7,2
3	2,09	2,13	4,22			2,4



а) 2,5 штр./мм

б) 7,2 штр./мм

в) 17,1 штр./мм

Рисунок 12 - На рисунках а), б), в) представлены кривые изменение амплитуды сигнала при прохождении штриховой миры с частотами соответственно в 2,5, 7,2 и 17,1 штр./мм относительно фотоприемного устройства (ФЭУ)



Таблица 2 - Полученные на установке ЧКХ значения КПК на трёх пространственных частотах и предел разрешения ЭОП, измеренный на коллиматоре

н, штр./мм	КПК
	№ («Овод»)	№ («Экран-ОС»)	№ («Катод»)
2,5	0,77	0,79	0,84
7,2	0,51	0,59	0,64
17,1	0,20	0,31	0,3
Nпр* (0,05), штр./мм	35,3ч37,6	47,2	53

Nпр* - измеренное предельное разрешение ЭОП

Рисунок 13 - Частотно-контрастные характеристики исследуемых ЭОП

Основным плюсом этого метода является простота получения и обработки результатов.

Минусы: ограниченное количество измеряемых пространственных частот. Так же метод трудноприменим к измерению ЧКХ МКП.

2 - Измерение ЧКХ методом анализа наклонной плоскости.

Метод заключается в гармоническом анализе функции рассеяния среза наклонной плоскости.

Рисунок 14 - Структурная схема установки измерения ЧКХ: 1 - осветитель; 2 - диафрагма с щелью; 3 - входная оптика (микрообъектив 10х); 4 - ЭОП; 5 - держатель ЭОП; 6 - микроскоп МБС-10; 7 - камера Videoscan 2-285; 8 - ПК

Световой поток из шарового осветителя 1 поступает в щель 2, образуя на её выходе рассеяние. Изображение щели проецируется микрообъективом 3 на фотокатод ЭОП. Микроскоп 6 фокусируется на экран ЭОП и камера 7 надевается с помощью специальной оснастки на окуляр микроскопа. Далее на ПК запускается программное обеспечение камеры, устанавливается необходимый режим (длительность экспозиции, кадровый период, бининг). Производится съёмка. Важно, чтобы снимок не был тусклым или засвеченным. Иначе к распределению яркости изображения щели будут добавляться шумы камеры. А это влечёт за собой искажение результата.

Затем, в полученном изображении выбирается участок, перпендикулярный главной оси щели, захватывающий распределение целиком, как показано на рисунке 15.



Рисунок 15 - Выбор области для обработки из изображения наклонной щели

Строим график зависимости яркости пикселя от его индекса - распределения по яркости:

Рисунок 16 - Распределение по яркости



Для анализа нам достаточно одной части рассеяния. Выбираем более пологую сторону.

Рисунок 17 - Функция рассеяния полуплоскости

По данному распределению находим производную, которая выражает скорость изменения яркости пикселя. После чего, выделяются точки, принадлежащие «импульсу».

Рисунок 18 - Производная функции рассеяния полуплоскости



Раскладываем точки производной в ряд Фурье. Это даст информацию о гармоническом составе рассеяния. Коэффициенты Фурье разделяем на мнимые (Im) и действительные (Re) части и находим модуль Фурье по формуле:

(8)

Находим ЧКХпроизв по формуле:

, (9)

Где - ширина пикселя (6,45 * 10-3 мм), k =2 - константа, f - частота (шт/мм)

(10)

Где - общее увеличение установки; N - количество анализируемых точек

Рисунок 19 - ЧКХ системы (без ЭОП) при Г=3,2

Таким же образом вычисляем и строим ЧКХ ЭОП:

Рисунок 20 - Изображение щели на экране ЭОП (даже визуально видна разница в рассеянии относительно изображения щели на микрообъективе)

Рисунок 21 - ЧКХ ЭОП при Г=2,8



Рисунок 22 - График ЧКХ системы и с ЭОП

Заключение

В данной работе были рассмотрены и изучены особенности микроканальных пластин, Разобран поэтапно процесс их производства. Определены требования по качеству спая жила-оболочка и для многожильных структур микроканальной пластины. Изучены принципы работы микроканальных пластин. Раскрыто воздействие внешних факторов на работу МКП. Пояснены некоторые принципы контроля качества МКП и, в частности, условия регистрации дефектов чистоты поля зрения.

Изучены и принципы метода ЧКХ, как основной характеристики качества МКП, ЭОП и других СПВИ.

Разработан метод расчёта ЧКХ методом анализа наклонной плоскости, Сформулированы основные плюсы и минусы нового и старого методов.



Список использованных источников

1. Кулов С.К. «Разрешающая способность МКП», Владикавказ, 2006 г.

2. Кулов С. К. «Микроканальные пластины», Владикавказ, 2005 г.

3. ГОСТ 21815.18-90. Преобразователи электронно-оптические. Метод измерения пространственной частотно-контрастной характеристики, Москва, Издательство стандартов, 2010г.

4. Сень Ю.В., Леонов Н.Б., Кравчук Г.С., Тютиков А.М., Флегонтов Ю.А. «Методика измерения частотно-контрастных характеристик электронно-оптических систем», «ОМП», 2006 г.

5. Ling Ren и др. «Метод расчёта ЧКХ ЭОП с коротким фокусом», Пер. с англ., Applied Optics, Vol.52, No.8 10 March, 2013

6. Кулов С.К. Микроканальные пластины для ЭОП. - Владикавказ, 2007 г.

7. Кулов С.К. Технология микроканальных пластин. Ч.1 Системные основы технологии. - Владикавказ, 2006.

8. Кулов С.К. Технология микроканальных пластин. Ч.2 Рабочие стекла МКПО. - Владикавказ, 2006.

9. Кулов С.К. Элементы физической химии в технологии МКП. - Владикавказ, 2005.

10. M. Estribeau, P. Magnan «Fast MTF measurement of CMOS imagers using ISO 12233 slanted edge», Пер. с англ., SUPAERO, 2009.

11. Chris Johnson «The Role of Night Vision Equipment in Military Incidents and Accidents», Пер. с англ., Glasgow, 2007.

12. Бейли Д., Райт Э. Волоконная оптика: теория и практика. Пер. с англ. -- М: «КУДИЦ-ПРЕСС», 2008.

13. Faris A. Badawy «Optimization of Microchannel Geometries to Enhance Convection Cooling of Parallel Plate Duct Flow», Пер. с англ., Institute of Technology, Foundation of Technical Education /Baghda, 2013.

14. James C. Storey, «Landsat 7 on-orbit modulation transfer function estimation», Пер. с англ., U.S. Geological Survey, EROS Data Center/Raytheon Technical Services Company, 2011.

15. Ахполов К.Ю. «Топология торцевых поверхностей МКПО». Владикавказ 2005.

Размещено на Allbest.ru