14 декември 2019
Категории
  •  Космос
  •  Физика
  •  Науки за земята
  •  Биология
  •  Медицина
  •  Говорят медиците
  •  Математика
  •  Научни дискусии
  •  Разни
FACEBOOK

С какво НАСА засне Марс или Ортикон и видикон (видео)

Втора част от лекцията по история на предавателните тръби

| ПОСЛЕДНА ПРОМЯНА 06 август 2016 в 10:2549340

В 1937 г. в САЩ физикът Албърт Роуз (Albert Rose), по това време работещ за RCA, създава нова предавателна тръба, наречена ортиконоскоп или накратко ортикон. Първата й публична демонстрация е на Световното изложение в Ню Йорк през 1939.

При тази тръба електроните в разгъващия лъч имат ниска скорост, благодарение на което вторичната емисия на електрони от мозаичния фотокатод е незначителна (коефициентът на вторичната емисия е по-малък от единица). Това води до значително увеличение на чувствителността на тази тръба.

Ортиконът (фиг. 3) се състои от цилиндричен стъклен балон, на единия край на който е разположен електронен прожектор, а на другия — полупрозрачен мозаичен фотокатод с прозрачна сигнална пластинка. Между електронния прожектор и мозайката са разположени отклоняващи плочи (за хоризонтално разгъване), колектор и спиращ електрод. Върху тръбата е поставена дълга бобина, която създава надлъжно магнитно поле, което фокусира електронния лъч. Върху нея пък се намират бобините за вертикално отклонение на електронния лъч. Електроните на лъча за разгъването, излизащи от електронния прожектор с висока скорост, по пътя към мозайката постепенно се забавят благодарение на това, че потенциалът на колектора е по-малък от потенциала на анода на прожектора, а потенциалът на спиращия електрод е значително по-малък от потенциала на колектора. При осветяване на мозайката от отделните елементи се освобождават фотоелектрони, броят на които е пропорционален на осветеността на дадения участък от мозайката. Тъй като тя има винаги отрицателен потенциал по отношение на колектора, то всички фотоелектрони се събират от колектора и фототокът в ортикона достига насищане. Ето защо положителните заряди, които се създават върху мозайката вследствие фотоемисията, са значително по-големи, отколкото в иконоскопа, т. е. потенциалният релеф тук е твърде подчертан, което на свой ред води до усилване на сигнала на изображението. Ако мозайката не беше осветена, то след като електронният лъч опише цялата повърхност, тя ще придобие устойчив потенциал, близък до потенциала на катода. След това електронният лъч започва като че ли да се отразява от нейната повърхност, електроните като че ли приближавайки се до мозайката, съвсем забавят своето движение. Достигайки до повърхността на мозайката, те се спират и започват обратно ускорено движение към колектора, изминавайки почти същия маршрут, както и при движението си от прожектора към мозайката.

Фиг. 3

Обаче когато върху мозайката има потенциален релеф, то част от електроните на разгъващия лъч остават върху нея, за да неутрализират споменатия положителен товар и по такъв начин всеки път след преминаване на разгъващия лъч потенциалният релеф на мозайката ще се неутрализира ("изтрива").

В това видео можете да видите изображение, редкактирано с типичните ефекти на получено с ортиконна тръба:

Броят на електроните, които електронният лъч оставя върху елементите на мозайката за неутрализация на пълнежите им, е правопропорционален на потенциала на съответния елемент, тъй че количеството на отразените от мозайката електрони също ще зависи от потенциалния релеф: колкото по-голяма е осветеността на даден елемент на изображението и следователно колкото по-голям е положителният потенциал на съответния елемент на мозайката, толкова по-малък брой електрони ще има в отразената част на разгъващия лъч. С други думи, отразеният лъч от електрони ще бъде модулиран с предаваното изображение.

За сметка на пълното използване на фотоемисията на мозайката, а също и на пълното превръщане на натрупаните заряди в сигнали, ортиконът има значително по-висока чувствителност, отколкото иконоскопът. Освен това той дава сигнал без "черно петно" и не изкривява растера (няма трапецоидален ефект).

Основен недостатък на ортикона е неговата неустойчивост при предаване на сцени с високо ниво на осветеност. На демонстрацията през 1939 г. тръбата се държи нестабилно и се получава (по думите на един съвременник) "ефект на изпаряване на голяма количество вода пред част от предаваната сцена". Нормално действие на ортикона може да има само дотогава, докато осветеността на мозайката е такава, че броят на фотоелектроните, които се излъчват от всеки един елемент в течение на един период на разгъването, не превишава броя на електроните, съдържащи се в електронния лъч за времето на еднократната комутация. Елементите на мозайката, осветеността на които превишава споменатата граница, започват непрекъснато да повишават своя потенциал, който в края на краищата достига едно второ устойчиво значение, близко до потенциала на колектора. По-нататък областта с повишен потенциал започва да се разпространява по цялата повърхност на мозайката и парализира действието на тръбата.

За увеличаване граничната осветеност на мозайката токът на разгъващия лъч се увеличава до възможната максимална стойност, определена от условието за приемлива фокусировка. Обикновено този ток е около 1—2 микроампера.

А тук можете да видите прецизен демонтаж на ортиконна тръба от истинска телевизионна камера от 1940-те години:

Суперортикон

В резултат на удачното обединение на всички описани по- горе устройства в 1943 година се появи предавателна тръба, която най-точно може да се нарече ортикон с.пренасяне на изображението и с електронен умножител, която накратко се нарича суперортикон.

На фиг. 4 е показана схемата на един суперортикон, а на фиг. 5 — схемата на движение на електроните вътре в тръбата. В тази тръба полученото под действието на светлината от полупрозрачния фотокатод електрическо изображение се пренася с помощта на силно електрическо поле върху обърнатата към фотокатода повъохност на една мишена. 

Мишената на суперортикона представлява съвсем тънка (2—5 микрона) пластинка, изготвена от особено стъкло със специално подбрана големина на специфичната проводимост. Поради малката дебелина на мишената, която е с нищожна проводимост, повърхността има висока напречна проводимост. Благодарение на голямата скорост на електроните в електронното изображение избиват от мишената вторични електрони, вследствие на което върху нейната повърхност се образуват заряди, които се натрупват в течение на времето за разгъване на една картина (аналогично в супериконоскопа). Вторичните, електрони се събират от фина мрежа, разположена на около 50 микрона от мишената. Тази мрежа има положителен потенциал от порядък на около 1 V. Ето защо вторичните електрони не могат да се върнат обратно върху мишената и да намалят образувания върху нея потенциален релеф.

Фиг. 4

Благодарение на голямата напречна проводимост върху обратната страна на мишената ще се получи същото разпределение на зарядите, т. е. върху обърнатата към електронния прожектор повърхност на мишената ще съответства същият потенциален релеф, образуван от идващото от фотомозаиката електронно изображение. Използването на двустранна мишена позволява да се отдели процесът на натрупване на зарядите от процеса на разгъването и по такъв начин значително да увеличи чувствителността на тръбата.

Разгъването на обърнатата към катода страна се осъществява с лъч от бавни електрони, както в ортикона. Затова тук няма нужда да се обяснява отново този процес.

И тук обратният лъч, изхождащ от "светлите" елементи на мишената, има малка плътност на електроните в сравнение с правкя лъч, а изходящият от съвсем "тъмните" елементи има същата сила на тока, както и правият лъч. По такъв начин обратният лъч и тук е модулиран и съдържа в себе си сигнала на изображението.

Фиг. 5

Отразените електрони се движат към прожектора по същия път, по който са се движили по посока на мишената. Както в ортикона, и тук ускоряващият анод е изпълнен във вид на диск със съвсем тясно отвърстие, през което преминават излъчваните от електронния прожектор електрони. Голямата част от отразените електрони попада върху предната повърхност н диска. Тяхната скорост е достатъчно голяма, тъй че всеки от тях избива от диска няколко вторични електрони. Те обикалят диска и под действието на ускоряващото електрическо поле попадат на следващите електрони на умножителя. Броят на стъпалата на електронния умножител е около 4-5, тъй че общият коефициент на усилване се получава от порядъка на 500-1000.

Описаната тръба има много висока чувствителност. Това дава възможност да се провежда телевизионно предаване и на слабо осветени сцени. Високата чувствителност в съчетание с малките размери позволява да се конструират телевизионни камери за извънстудийни предавания с малки размери.

Видикон

Във всяка от досега описаните предавателни тръби е използвано явлението външен фотоефект (фотоелектронна емисия), което се състоеше в това, че падащата върху повърхността на някои тела светлина отделя от тях електрони. Тогава броят на отделените електрони е правопропорционален на интензивността на падащата светлина.

През 1950-те г. са разработени висококачествени предавателни тръби, в които преобразуването на светлината в електричество се осъществява с помощта на явлението вътрешен фотоефект. Той се състои в това, че някои вещества изменят съпротивлението си, когато се облъчат със светлина.

Първата такава тръба е конструирана в 1950 г. и носи името видикон. С нея по-късно са оборудвани камерите на космическите апарати Mariner 4, 6, 7 и 9 и Viking 1 и 2, предали снимки от Марс, а също и тези на Mariner 10, заснел Меркурий.

Употребата на вътрешния фотоефект позволява да се използва по-високата чувствителност на фотоелементите с вътрешен фотоефект (фотосъпротивление). Голямата чувствителност позволява да се опрости силно тръбата и да се намалят нейните размери.

Самата тръба представлява един стъклен балон с монтиран в него електронен прожектор (вж. фиг. 7). С помощта на ускоряващите. електроди и външната фокусираща бобина тесният сноп електрони се насочва към фотосъпротивлението, което има вид на тънък слой полупроводник (с дебелина около 5 микрона), който обладава вътрешен фотоефект (селен, сяра и др.). Този слой е нанесен върху друг прозрачен проводящ слой, който играе ролята на сигналната пластинка и е разположен върху вътрешната повърхност на предния край на стъкления балон на тръбата.

Изображението на предавания обект се фокусира с помощта на обектив и през прозрачната сигнална пластинка достига върху фотосъпротивлението, като повърхността й се описва от разгъващия електронен лъч с бавни електрони — аналогично на суперортикона. 

Фиг. 6. Типична видиконна тръба

Като описва всички елементи на фотопроводящия слой, електронният лъч довежда този слой до потенциал, равен на потенциала на катода. Токът на лъча е достатъчно голям, а проводимостта на мишената е съвсем малка (специфичното й съпротивление на тъмно е от порядък на 1012 Ω/см). Ето защо на тъмно потенциалът на всеки елемент от повърхността на мишената от обърнатата към електронния прожектор страна става равен на потенциала на катода. Когато оптическото изображение на обекта се проектира върху фотослоя, проводимостта на различните участъци на последния се изменя според интензивността на падналата върху тях светлина. Тези участъци от мишената, върху които попада повече светлина, увеличават проводимостта си и обратно. Материалът на мишената е подбран така, че за един период на вертикалното разгъване да настъпи почти пълното, възможно за дадения светлинен поток изменение на съпротивлението.

На мишената се подава постоянно напрежение (10—30 V). Тъй като съпротивлението на всеки елемент на мишената зависи от големината на светлинния поток, който пада върху него, при преминаване на разгъващия електронен лъч във веригата през фотопроводящия слой (мишена) протича ток. Той като протича и през товарното съпротивление, създава върху него напрежение, пропорционално на осветеността на съответния елемент. И тук, както в иконоскопите и ортиконите, се използва принципът за натрупване на зарядите, тъй като всеки елемент на фотомишената е подложен на действието на светлината в течение на целия период на вертикалното разгъване, докато неговото описване става за много по-кратко време.

Фиг. 7

Както видяхме, при осветляване на мишената проводимостта на елементите й се увеличава. Това позволява електрическият заряд, който се образува от електроните, оставени от разгъващия лъч, да се оттече върху сигналната пластинка. По такъв начин за времето между две последователни преминавания на електронния лъч тези места от мишената придобиват потенциал от порядъка на + 1 до + 2 V спрямо катода. При следващото докосване до този елемент на разгъващия електронен лъч последният оставя електрони в количество, достатъчно, за да направи отново неговия потенциал равен на потенциала на катода. В резултат на това именно във веригата на фотомишената (през нея) протича ток, модулиран със сигнала на изображението.

Цикълът заряд-разряд е идентичен с този в ортикона с изключение само на това, че тук образуването на положителния заряд (потенциален релеф) върху мишената става за сметка на проводимостта през мишената (от обърнатата към прожектора повърхност през фотопроводящия слой към сигналната пластинка, както в ортикона). Съпротивлението на фотопроводящата мишена се прави много голямо, тъй че времеконстантата да е по-голяма от времето за разгъването на една картина.

При средно осветени сцени чувствителността на видикона е близка до чувствителността на суперортикона.

Видиконът е прост и евтин за производство, има добра разделителна способност, малки собствени шумове, малки размери и е стабилен в работата. Известен недостатък на видикона е неговата повишена инертност, която при ниска осветeност затруднява предаването на изображенията на бързо движещи се обекти.

Електроннолъчевата тръба господствала в световната телевизионна техника до 1990-те години, когато караулът бил сменен от предавателните устройства с твърдотелна памет. Основният им принцип е последователното преместване на заряда от един елемент към друг. Тези полупроводникови елементи се наричат CCD (съкр. от Charge-Coupled Device) - елемент със зарядна връзка или зарядо-свързан прибор.

Антон Оруш, Sandacite.bg – http://www.sandacite.bg

Източници:

A Tale of Two Tubes - http://www.rexophone.com/?p=237

Images taken by Mariner 9 - http://photojournal.jpl.nasa.gov/mission/Mariner

Orthicon and CPS Emitron - https://en.wikipedia.org/wiki/Video_camera_tube#Iconoscope

Видикон - https://ru.wikipedia.org/wiki/Видикон

Вакуумное, стеклянное и жутко красивое - http://urban3p.ru/blogs/35420/

Диссектор или иконоскоп? - http://www.dvdexpert.ru/dissektor_ili_ikonoskop-2.html

Марангозов, И., А. Ангелов. Телевизионна техника. С., 1958.


Препоръчани материали

Няма коментари към тази новина !

 
Още от : Технологии
Всички текстове и изображения публикувани в OffNews.bg са собственост на "Офф Медия" АД и са под закрила на "Закона за авторското право и сродните им права". Използването и публикуването на част или цялото съдържание на сайта без разрешение на "Офф Медия" АД е забранено.