-变像管的工作原理、特性及应用

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1、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:imageconverter,time-sca

2、nnedimageconverter,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

3、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

4、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

5、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

6、。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

7、。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

8、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