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1、上午12时55分,光电成像原理,1,第五章 直视型电真空成像器件成像物理,上午12时55分,光电成像原理,2,5 直视型电真空成像器件成像物理,直视型光电成像器件也称作像管，包括变像管和像增强器两大类型。,变像管：接受非可见辐射图像并转换成可见光图像的直视型光电成像器件：红外变像管、紫外变像管和X射线变像管等，功能是完成图像的电磁波谱转换。,像增强器：接受微弱可见光图像的直视型光电成像器件：级联式像增强器、带微通道板的像增强器、负电子亲和势光阴极的像增强器等，功能是完成图像的亮度增强。,上午12时55分,光电成像原理,3,像管的成像过程/工作方式：,上述过程由封装在高真空管壳内的光阴极、电子光
2、学系统/微通道板、荧光屏完成。,5.1 像管成像的物理过程,通过外光电效应将入射的微弱/不可见辐射图像转换为电子图像；由电场或电磁场的加速聚焦作用进行能量增强以及通过二次发射作用进行电子倍增;经过增强的电子图像轰击荧光屏，激发荧光屏产生可见光图像。,上午12时55分,光电成像原理,4,上午12时55分,光电成像原理,5,上午12时55分,光电成像原理,6,上午12时55分,光电成像原理,7,上午12时55分,光电成像原理,8,一、辐射图像的光电转换,5.1 像管成像的物理过程,外光电效应的特点揭示了光电转换过程的光电转换关系和光谱响应范围：,斯托列托夫定律：当入射光的频率/频谱成分不变时，光电
3、发射体单位时间内发射处的光电子数或饱和光电流与入射光的强度成正比，即入射光越强，产生的光电流越大：,爱因斯坦定律：光电发射产生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：,上午12时55分,光电成像原理,9,5.1 像管成像的物理过程,完成外光电效应的部件光阴极：具备光电发射的光敏面。,光敏面接收辐射量子产生光电子发射，所发射的电子流密度分布正比于入射的辐射通量分布，即：把入射辐射分布转换成光电子流分布(光电子图像)，从而完成将辐射图像转换为光电子图像的过程。,常用的光阴极：红外光敏感的银-氧-铯光阴极，可见光敏感的双碱、多碱、砷化镓材料的负电子亲和势光阴极，紫外光敏感的紫外
4、光阴极。,光阴极有透射型和发射型两种，透射型较常用。,上午12时55分,光电成像原理,10,5.1 像管成像的物理过程,二、电子图像的能量增强,完成电子图像能量增强的部件电子光学系统,电子光学系统是某一特定的静电场或电磁场。离开光阴极的低能量光电子图像在静电场或电磁场的作用下得到加速并聚焦到荧光屏上。,常用的电子光学系统有：纵向均匀静电场的透射成像系统，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。（后面会有详细介绍）,上午12时55分,光电成像原理,11,5.1 像管成像的物理过程,三、电子图像的发光显示,像管输出的可见光图像采用荧光屏把加速聚焦的光
5、电子图像加以转换、显示。,荧光屏是由发光材料的微晶颗粒层积而成的薄层，常用的材料有：金属硫化物、氧化物，硅酸盐晶体等。,在金属硫化物、氧化物，硅酸盐晶体作为基本材料的基础上，掺入杂质构成的晶态磷光体才具有受激发光特性。,上午12时55分,光电成像原理,12,5.1 像管成像的物理过程,荧光屏受到高速光电子流轰击导致受激发光。,荧光屏的发光与荧光屏的发光材料、入射的光电子流密度、加速电压值有关。并且当光电子流的加速电压一定时，其发光亮度正比于入射的光电子流密度。,对荧光屏的要求：,高转换效率；,辐射光谱和人眼或与之耦合的其他接收器件的光谱响应相一致； 荧光粉颗粒度尺寸。,上午12时55分,光电成
6、像原理,13,5.2 像管结构类型与性能参数,像管类型：,根据工作方式分类：连续工作像管、选通工作像管、变倍工作像管。,根据结构分类：近贴式像管、倒像式像管、静电聚焦式像管、电磁复合聚焦式像管。,根据使用的技术分类：级联式的一代像管、带微通道板的二代像管、采用负电子亲和势光阴极和微通道板的三代像管。,根据工作波段分类：像增强器、变像管。,上午12时55分,光电成像原理,14,5.2 像管结构类型与性能参数,一、像增强器,1. 近贴式像增强器图5-2,近贴聚焦的电子光学系统的光阴极和荧光屏相距1mm左右，且相互平行，在它们之间施加高压，使两极间形成纵向均匀静电场，光电子流在此静电场作用下飞向荧光
7、屏。,近贴式像增强器的要求：,极间距离不能太大，否则影响分辨力；极间电压不能太高，否则影响亮度增益和像质。,上午12时55分,光电成像原理,15,上午12时55分,光电成像原理,16,5.2 像管结构类型与性能参数,2. 静电聚焦倒像式像增强器图5-3、图5-4,静电聚焦倒像式像增强器由光阴极和阳极共同构成轴对称或球对称静电场，该静电场形成的电子光学系统将光阴极面上发射的光电子流加速并聚焦到荧光屏上，形成倒像。,球对称静电场使轴外各点的光电子主轨迹近似对称轴，从而使场曲、像散和畸变减小。 常采用多级级联的方式获得更高的亮度增益。,上午12时55分,光电成像原理,17,上午12时55分,光电成像
8、原理,18,静电聚焦型电子光学系统有双圆筒电极系统和双球面电极系统两种形式如左下图所示。从图可知，从光电阴极发出的电子只能从阳极中间的小孔通过；由等位线可以看出：电子从阴极到阳极运动过程中会受到聚焦和加速，然后射向荧光屏，并在荧光屏上成一倒像，如右下图所示。,上午12时55分,光电成像原理,19,上午12时55分,光电成像原理,20,实现级联的方式也有两种：一种是在同一管壳内用薄的云母片作为支撑体，其两侧分别制作光电阴极和荧光屏,形成夹心倍增屏结构,以实现各级像管之间的耦合。磁聚焦像增强器大都采用这种方式。另一种是采用纤维光学面板将单个静电聚焦型像增强管耦合在一起,上午12时55分,光电成像原
9、理,21,5.2 像管结构类型与性能参数,3. 电磁复合聚焦式像增强器图5-5,电磁复合聚焦式像增强器由平面光阴极和荧光屏构成静电场，并且在管壳外施加恒定电流的螺旋线圈，产生均匀磁场，从而形成该类型像增强器 均匀电磁场。该电磁场形成的电子光学系统将光阴极面上发射的光电子流加速并聚焦到荧光屏上成像。,电磁复合聚焦式像增强器的系统结构复杂、笨重，通常适用于天文观察的应用场合，对电压和磁场进行严格控制，获得较高分辨力的图像。,上午12时55分,光电成像原理,22,电磁聚焦系统中既有磁场也有电场。如下图所示，该系统的磁场是由像管外面的长螺线管通过恒定电流产生的，电场是由光电阴极和阳极间所加直流高压产生
10、的。因此，从光电阴极面上发出的电子，在纵向电场和磁场的复合作用下，都能以不同螺旋线向阳极前进；由阴极面上同一点发出的电子，只要在轴向有相同的初速度，如右下图所示就能保证在一个周期之后相聚于一点，起到聚焦作用。,上午12时55分,光电成像原理,23,5.2 像管结构类型与性能参数,4. 选通式像增强器图5-6,选通式像增强器属于静电聚焦式的像增强器。只是在光阴极附近增加一个控制栅极。,控制栅极由栅网和阳极孔栏组成，栅极电位低于光阴极电位时形成反向电场使光阴极的光电发射截止，而栅极电位高于阳极电位时构成聚焦成像用的正向电场，实现选通式的工作状态。,选通的工作方式：,单脉冲触发工作方式，用于高速摄影
11、的电子快门;,连续脉冲触发工作方式，用于主动红外成像与测距。,上午12时55分,光电成像原理,24,下图所示的像管的光电阴极和阳极间增加一对带孔阑的金属电极控制栅极，就成为选通式变像管。 只要改变栅极的电压就可控制变像管的导通。因此只要使选通式变像管的工作周期与光源的调制周期一样，同步工作，于是可以提高图像的对比度和图像质量。,上午12时55分,光电成像原理,25,5.2 像管结构类型与性能参数,5. 变倍式像增强器图5-7,所谓变倍式像增强器就是能够改变图像倍率的像增强器，具有可变放大率的电子光学系统。,变倍式像增强器通常采用四电极结构，通过改变阳极电位和变倍电极的电位来实现图像倍率的变化，
12、同时必须改变调焦电极的电位，从而获得最佳聚焦，以保证变倍时的成像质量。,上午12时55分,光电成像原理,26,在上图基础上增加一个变倍电极和聚焦电极,上午12时55分,光电成像原理,27,5.2 像管结构类型与性能参数,6. 带有微通道板MCP的像增强器图5-8、9,带有微通道板MCP的像增强器是二代像增强器，对一代多级级联的电子光学系统进行改进，在单级像增强器中设置MCP来实现光电子图像的倍增。,带有微通道板MCP的像增强器在MCP的两个端面时间施加直流电压形成电场，使入射到通道内的光电子流在电场作用下碰撞通道内壁，最终实现通道内壁二次电子的连续倍增，MCP也将带来负面影响。,上午12时55
13、分,光电成像原理,28,二代像增强器有双近贴式像增强器和倒像式像增强器两种。 近贴式像增强器为避免场致电子发射，施加较低电压获得较高像质，加MCP提高增益。,光电阴极、微通道板、荧光屏三者相互靠得很近，故称双近贴,上午12时55分,光电成像原理,29,倒像式像增强器，它与单级像管结构十分相似，只是在电子光学系统与荧光屏之间插入微通道板，像增强器的输入、输出端均采用光纤面板 。,上午12时55分,光电成像原理,30,5.2 像管结构类型与性能参数,7. 负电子亲和势光阴极像增强器图5-10,负电子亲和势光阴极像增强器三代像增强器，是目前性能最优越的直视型光电成像器件。,由于受到负电子亲和势光阴极
14、制造工艺、技术的限制，三代像增强器的结构类似于双近贴式像增强器，其根本区别在于光阴极：二代像增强器的光阴极其灵敏度为400800uA/lm，三代像增强器的光电灵敏度可达3000uA/lm以上。 施加较低的工作电压，光电子的初动能较低，基于MCP的像管信噪比较高、分辨力也较高。,上午12时55分,光电成像原理,31,5.2 像管结构类型与性能参数,二、红外、紫外变像管， X射线、射线变像管,红外、紫外变像管， X射线、射线变像管把相应的辐射波谱转换成可见的光学图像。,红外、紫外变像管在结构上与像增强器基本相同，只是光阴极材料和光谱响应不用而已。,X射线、射线变像管比像增强器多一个射线转换荧光屏(
15、输入荧光屏) 。,射线转换屏位于变像管的输入窗内，将入射的射线转换为荧光的弱光图像，转换荧光屏与光阴极之间通过玻璃耦合，该弱光图像再入射到光阴极上产生光电子流，由电子光学系统加速聚焦，轰击出射荧光屏。,上午12时55分,光电成像原理,32,X射线像增强器实质是一种变像管，它的作用是将不可见的X射线图像转换成可见光图像，并使图像亮度增强。如下图所示，一般的X射线像增强器是由输入转换屏、光电阴极、电子光学系统和输出荧光屏几部分组成的。,上午12时55分,光电成像原理,33,5.2 像管结构类型与性能参数,三、像管性能参数及其要求,像管目标：拓展人眼的视见范围和视见能力。,像管既是一个幅射探测器和放
16、大器，又是成像器作为辐射探测器，应具有足够的量子效率和信号放大能力，以提供足够亮度。这一性能通常以灵敏度和亮度增益来描述。作为成像器，必须有小的图像几何失真，是党的几何放大率，尽可能小的亮度扩散能力，以提供足够的视角和对比。这一性能通常以畸变、放大率、分辨率、调制传递函数来描述。,上午12时55分,光电成像原理,34,上午12时55分,光电成像原理,35,5.2 像管结构类型与性能参数,1. 光谱响应特性,光谱响应特性：是指像管（光阴极）的响应能力与入射波长的对应关系，决定了其工作的光谱范范围。,光谱响应率：是像管对单色入射辐射的响应能力，以R表示。 R=I/P（）,积分响应率（光电灵敏度）：
17、是像管对全色入射辐射的响应能力，以R表示，定义为：,上午12时55分,光电成像原理,36,5.2 像管结构类型与性能参数,引入光谱匹配系数，则积分响应率R有,光谱匹配系数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、荧光屏与人眼光谱光视效率之间在光谱上的吻合程度。是选择像管各级材料的重要依据。,上午12时55分,光电成像原理,37,5.2 像管结构类型与性能参数,2. 增益特性,上午12时55分,光电成像原理,38,5.2 像管结构类型与性能参数,上午12时55分,光电成像原理,39,5.2 像管结构类型与性能参数,光亮度增益的定义：是指像管在标准光源照射下，荧光屏上的光出射度M
18、与入射到光敏面上的照度之比，用GL表示：,上午12时55分,光电成像原理,40,辐射亮度增益,光通量增益,上午12时55分,光电成像原理,41,5.2 像管结构类型与性能参数,光亮度增益的表达式描述增益与各参数之间的关系,参数：入射到光敏面上的照度E，光敏面的响应率R，电子光学系统的透射比以及加速电压U，荧光屏的发光效率=/P (P是入射到荧光屏上的功率，是荧光屏发出的光通量)。,荧光屏的出射度M：,上午12时55分,光电成像原理,42,5.2 像管结构类型与性能参数,单级像管的光亮度增益：,对于级联式像管，考虑亮度增益表达式时忽略级间的耦合损失，第一级的光出射度M1就是第二级的辐射照度E2，
19、所以有：,上午12时55分,光电成像原理,43,增益表达式的讨论：,在一定入射照度下提高荧光屏上输出图像的亮度就得GL ，方法是 、 、 、R 、U 和m。,参数：入射到光敏面上的照度E，光敏面的响应率R，电子光学系统的透射比以及加速电压U，荧光屏的发光效率=/P (P是入射到荧光屏上的功率，是荧光屏发出的光通量)。,上午12时55分,光电成像原理,44,5.2 像管结构类型与性能参数, 、 、 、R 对GL的提高，因这些值都小于1，其效果不明显；m虽然促使GL以平方关系增加，但代价是缩小荧光屏的光学图像输出。,荧光屏输出的光学图像缩小时，为了确保其分辨率就必须减小荧光粉的颗粒度，但是颗粒度的
20、减小势必造成荧光屏发光效率的下降。通常情况，m值取在0.51之间。（分辨率与颗粒度相匹配）,上午12时55分,光电成像原理,45,GL 的另一有效途径是U ，即通过增加外界的输入能量来提高像管的亮度，单级像管U值在12 15KV。U值也不能取太高，太高将会导致冷发射。,GL 也可以通过级数的增加来获得，但级数增加使得体积、质量也增加，且像质变差。实际的像管亮度增益要小于理论值，要通过实验测定。典型值：红外30-50，单级50-100，三级级联5*104，二代104。,上午12时55分,光电成像原理,46,5.2 像管结构类型与性能参数,3. 背景特性,荧光屏的输出亮度=光学图像的亮度（成像亮度
21、或信号亮度）+非成像的附加亮度（背景亮度）,背景亮度的存在使图像的对比度下降，影响图像的清晰程度。,引入“等效背景照度”和“对比恶化系数”两个参数描述背景亮度对图像质量的影响。,背景亮度包括无光照情况下的暗背景和入射信号引起的附加背景（信号感生背景或光致背景）。,上午12时55分,光电成像原理,47,5.2 像管结构类型与性能参数,(1) 等效背景照度（表示暗背景）,所谓等效背景照度Ebe，是指使荧光屏亮度等于暗背景亮度值时的光敏面上的输入照度值。,上午12时55分,光电成像原理,48,等效背景照度的数值：,变像管的等效背景照度，其典型值在10-13lx数量级，而像增强器在10-7lx数量级。
22、,上午12时55分,光电成像原理,49,5.2 像管结构类型与性能参数,(2) 对比恶化系数,背景的存在使图像模糊不清。 对比恶化系数r-1，是指有背景亮度影响时输出图像的对比度Cb与没有背景亮度影响时输出图像对比度C0的比值：,该值位于0-1之间，越接近1越好。,上午12时55分,光电成像原理,50,由对比度的定义C=(Lmax-Lmin)/(Lmax+Lmin) 可得：,信号较小时,主要是暗背景起作用,信号大时,主要是感生背景起作用.,上午12时55分,光电成像原理,51,5.2 像管结构类型与性能参数,4. 成像特性,物空间的图像辐射,输出图像,上午12时55分,光电成像原理,52,像质
23、下降表现在输出图像的几何尺寸、形状和亮度分布不能再现物空间图像辐射的强度分布。如何描述像管的成像特性？主要有以下几个方面：,上午12时55分,光电成像原理,53,5.2 像管结构类型与性能参数,(1) 放大率像管对图像几何尺寸放大或缩小的性能参数,像管的放大率是指像管输出端的图像线性尺寸l与其对应的输入端图像的线性尺寸l之比：,上午12时55分,光电成像原理,54,(2) 畸变像管对图像形状变化的性能参数,像管的畸变用D表示畸变的程度：,对于三级像管，其畸变程度为,一般情况下，取光阴极有效直径的80%处的放大率来表征畸变大小。典型数据：变像管0.1，三级级联管0.25-0.35,上午12时55
24、分,光电成像原理,55,5.2 像管结构类型与性能参数,(3) 分辨力描述像管输出图像清晰度(电子光学系统像差、像管亮度分布失真)的性能参数,分辨力，是指成像器件恰能分辨两个相邻目标像的能力。,电子光学系统存在的像差、荧光屏输出图像的亮度分布不能再现入射辐射图像的强度分布，使得输出图像清晰度下降。,上午12时55分,光电成像原理,56,5.2 像管结构类型与性能参数,因此，通过测定像管的分辨力来评价像管的成像质量。,测定分辨力，采用高对比度的标准测试板图案聚焦在像管的光阴极面上，通过目视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矩形条纹的对数。,上午12时55分,光电成像原理,5
25、7,采用分辨力表示像管成像质量的缺点：,所测定两个像管的极限分辨力一样时，其成像质量可能存在很大差异；,单级像管分辨力好，但不能反映级联像管分辨力降低的原因，级间耦合可能产生散射等；,不同像管，其分辨力变化趋势不一样，有些像管从分辨到不可分辨的转变较明显，有的不明显；,目测手段的个体差异以及主观因素的限制，分辨力的测定难以得到一个统一确定的值。 分辨力方法不能全面评价像管成像质量。,上午12时55分,光电成像原理,58,5.2 像管结构类型与性能参数,(4) 调制传递函数描述像管对构成图像各种细节的 衰减能力的数学关系,调制传递函数建立在傅立叶级数和傅立叶变换的基础上，将整个成像过程描述为物图
26、像与成像系统的响应函数的卷积过程。,上午12时55分,光电成像原理,59,5.2 像管结构类型与性能参数,成像器件MTF的经验公式：,fc和n值通过预先测定两个不同空间频率的MTF值，利用经验公式联立求解确定成像器件的MTF。通常情况，成像器件的n值在1.22.1之间。,上午12时55分,光电成像原理,60,5.3 辐射图像的光电转换,光电转换是直视型光电成像器件的工作基础。,人眼从光电成像器件获得的光学图像，首先是经过器件把辐射图像转换成光电子图像，该图像通过电子光学系统的图像增强、加速聚焦，轰击荧光屏再现人眼可以直接观察的光学图像。,工作基础的核心部件是光阴极，其工作机理基于光电子发射理论
27、。,一、光电子发射的基本理论,上午12时55分,光电成像原理,61,5.3 辐射图像的光电转换,赫兹于1887年首先发现光电发射现象，随后得到人们的不断完善，发展到今天的光电发射理论模型(三步过程模型)三阶段理论(光电发射的物理过程：受激、散射、逸出)：,光电发射体内的电子被入射光子激发到高能态电子受激是一种量子化过程，具有量子性；,受激电子向表面运动，在运动过程中因碰撞损失部分能量向表面运动是一随机过程；,到达表面的受激电子克服表面电子亲和势逸出每一瞬间逸出的光电子是一随机量，但在稳定的入射辐射下有确定的平均值。,上午12时55分,光电成像原理,62,5.3 辐射图像的光电转换,1. 电子受
28、激跃迁的半经典分析结果,利用半经典的处理方法建立光电子受激跃迁的统计方程。,光辐射作用下的电子受激跃迁几率速率(t)（单位时间内电子受激跃迁的几率）的表达式简化模型：,上午12时55分,光电成像原理,63,光辐射作用下的电子受激跃迁几率速率与入射辐射强度、微扰矩阵元、激发态的态密度成正比。上式是一个简化模型导出的结果。实际的光电发射体内的电子受激过程很复杂，尤其是半导体光电发光体的受激过程，因为其初态能级多种多样，且可能成为溢出的电子或者只是对光电导有贡献的导带中的非平衡电子。,上午12时55分,光电成像原理,64,5.3 辐射图像的光电转换,2. 受激电子向表面迁移的分析结果,受激电子从受激
29、处向表面迁移的过程中因碰撞产生散射、非弹性碰撞产生次级电子-空穴对等原因造成能量损失。,不同深度x处的受激电子向表面跃迁的几率：,上午12时55分,光电成像原理,65,为光吸收系数，为材料的反射系数，为光阴极的厚度。 由受激电子迁移几率得到光阴极的最佳厚度：,此式是选择光阴极材料的依据，当值等于电子的逸出深度L时，任何厚度的材料都满足最佳光电发射。,透射式光阴极的每个入射光子所激发的电子能迁移到真空界面的几率为:,上午12时55分,光电成像原理,66,5.3 辐射图像的光电转换,3. 受激电子逸出表面过程的分析,三代像管出现之前，光阴极真空界面要形成光电发射必须具有克服电子亲和势的能量，即：迁
30、移到真空界面的受激电子能否逸出表面取决于光阴极材料的电子亲和势。,电子亲和势EA，指的是半导体导带底部到真空能级间的能量值，表征材料在发生光电效应时，电子逸出材料的难易程度。电子亲和势越小，就越容易逸出。,依据表面势垒是否高于/低于/等于导带底把光阴极分为正、负、零电子亲和势光阴极。,上午12时55分,光电成像原理,67,5.3 辐射图像的光电转换,表面态：光阴极真空界面侧的表面吸附其他元素的分子、原子或离子，形成束缚能级。,吸附层与光阴极材料本身构成异质结。,(1) P型光阴极附有N型表面态,异质结使能带向内表面弯曲，弯曲的能带减小了导带底与真空能级之间的能量差，降低了表面势垒，即减小了电子
31、亲和势，从而有利于光阴极产生光电发射。图5-15,实用光阴极都采用这种结构异质结的半导体材料。另外，P型光阴极的费米能级比较靠近价带，因此热逸出功大，暗发射小。,上午12时55分,光电成像原理,68,5.3 辐射图像的光电转换,(2) N型光阴极附有P型表面态,异质结使能带向外表面弯曲，弯曲的能带增加了导带底与真空能级之间的能量差，提高了表面势垒，造成产生光电发射需要克服更大电子亲和势，不利于光阴极产生光电发射。图5-15,(3) 本征半导体光阴极,本征半导体的能带基本上不发生弯曲，不能有效降低电子亲和势。图5-15,通过选择光阴极和表面态材料，使得电子亲和势减小，甚至是零或负的电子亲和势从而
32、有利于光电发射。,上午12时55分,光电成像原理,69,5.3 辐射图像的光电转换,二、典型实用的光阴极,像管光阴极的种类按照其敏感的光谱范围进行划分，并且国际上采取S系列序号命名。表5-3,1. 银氧铯(Ag-O-Cs)光阴极,银氧铯光阴极是对近红外敏感的光阴极，光谱响应范围在3001200nm之间，且有两个峰值。,上午12时55分,光电成像原理,70,5.3 辐射图像的光电转换,银氧铯光阴极光电发射的机理：半导体理论模型；固溶胶理论模型（吴全德教授提出）。,固溶胶理论模型对光阴极研究的贡献：推进了银氧铯光阴极结构和机理的研究。,固溶胶理论模型认为当半导体中的杂质银原子超过一定浓度后会产生脱
33、溶现象，从而形成直径小于100nm的银胶粒，银胶粒可以在晶粒内也可以在晶界上，银胶粒不是施主而是电子阱，脱溶的胶粒服从化学动力学。,银氧铯光阴极的结构：大量的银胶粒和银颗粒分散埋藏在Cs2O半导体层中，表面附有单原子铯。图5-19。整个光谱范围: 银颗粒、银胶粒、铯原子。,上午12时55分,光电成像原理,71,5.3 辐射图像的光电转换,2. 锑铯(Sb-Cs)光阴极,锑铯(Sb-Cs)光阴极的光谱响应范围是小于650 nm的可见光区和紫外区，峰值波长处于蓝光和紫外波段，视不同材料而定。,锑铯(Sb-Cs)光阴极的表面态是单铯原子，铯原子使得能带向光阴极内表面弯曲，降低电子亲和势.,3. 多碱
34、光阴极（热发射电流很小，10-16A/cm2）,锑与一种以上的碱金属结合获得多碱光阴极。铯原子除了作为表面态减小EA外，还与锑化物晶格相互作用使能带进一步弯曲，更大程度的减小EA，提高量子效率。,上午12时55分,光电成像原理,72,5.3 辐射图像的光电转换,4. 负电子亲和势(NEA)光阴极,对于正电子亲和势光阴极，迁移到表面的受激电子必须克服电子亲和势才能产生光电发射，限制了这种类型光阴极的量子效率提高以及向长波长方向扩展(式5-78)。负电子亲和势能够大大改善这两个方面。,负电子亲和势的两类半导体材料：化学元素周期表中的族和族元素的化合物单晶半导体；硅单晶半导体。它们都是通过吸附Cs、
35、O表面层形成负电子亲和势。,Cs、O在 -族化合物表面上存在的形态以及形成负电子亲和势的理论没有统一的解释，较好的理论模型：异质结理论模型、偶极层理论模型。,上午12时55分,光电成像原理,73,5.3 辐射图像的光电转换,NEA光阴极的量子效率表达式：式5-89。影响量子效率的重要参量光阴极厚度 。,5. 紫外光阴极,紫外光阴极按照光谱响应范围分为三类: 400 200nm，200104nm，小于104nm。,400 200nm：日盲紫外光阴极；,200104nm ：中紫外光阴极，采用碱金属卤化物;,小于104nm ：远紫外光阴极(莱曼盲光阴极)，对121.6nm的莱曼辐射没有响应。反射式光
36、阴极.,上午12时55分,光电成像原理,74,5.3 辐射图像的光电转换,三、光电发射的极限电流密度,光阴极产生的光电子流在电子光学系统的电场/电磁复合场的作用下加速聚焦成像于荧光屏上，即电子光学系统的外加电场/电磁复合场提供光电子流的能量。,光阴极产生的光电发射产生空间电荷，该空间电荷形成的附加电场与电子光学系统的电场方向相反，随着光电子流密度的增大，附加电场也将增大，增大到足以抵消电子光学系统施加的外部电场，此时光电发射就要受到抑制，光电发射处于饱和状态光电发射的极限电流密度。,上午12时55分,光电成像原理,75,5.3 辐射图像的光电转换,连续工作像管的光电发射极限电流密度：,脉冲工作
37、像管的光电发射极限电流密度：,对于给定的像管，其脉冲工作时的光电发射极限电流密度只与脉冲工作的时间t有关，成反比。,上午12时55分,光电成像原理,76,5.3 辐射图像的光电转换,四、光敏面发射电子过渡过程的分析,光阴极的材料是半导体，具有较高的面电阻。,对于选通式的像管或者是连续像管在输入突变的辐射信号时，在光敏面中心区将产生光电转换的动态过渡过程：中心区因接受瞬间强辐射而失去大量的电子，由于面电阻高使得在此瞬间不能及时补充失去的电子，导致中心区的电位升高，从而造成光敏面上的电位不一致。,改变电子光学系统的聚焦电场，从而造成过渡过程像差的产生，输入辐射信号的照度越大，此像差越大。,上午12
38、时55分,光电成像原理,77,5.3 辐射图像的光电转换,像管允许的最大像差决定光阴极电位变化量的最大值um以及中心区的最大发射电流Im、最大发射电荷量Qm：,像管工作的脉冲时间远小于RC时间常数时，将指数项展开并略去高次项得：,因此，为提高像管的成像质量，增大超短脉冲像管光阴极的等效电容C，措施如下：,上午12时55分,光电成像原理,78,5.3 辐射图像的光电转换,在光阴极输入窗的外表面制作一层透明的导电层;,采用网状栅极减小阴极与栅极间距；,采用高介电常数的材料制作输入窗及减小输入窗的厚度。,像管工作的脉冲时间远大于RC时间常数时，则最大电荷发射量表达式可以改写为：,即光阴极的面电阻严重
39、影响光电发射。因此像管的等效电阻不能过大，通常取光阴极的方块电阻小于103 /。,上午12时55分,光电成像原理,79,5.3 辐射图像的光电转换,光阴极的等效电阻R与方块电阻R之间的关系：,为减小面电阻值可以通过减小光阴极等效电阻的方法来实现，措施有：,采用透明导电层作为光阴极的衬底;,采用低电阻光阴极的工艺。,上午12时55分,光电成像原理,80,5.4 电子图像的成像理论,电子光学系统（电子透镜）的作用： 对光阴极发射出的电子图像进行加速、聚焦。 电子光学研究电子在电磁场中运动和电子束在电磁场中聚焦、成像、偏转等规律的学科，该学科称为弱细束电子光学或几何电子光学。,电子光学研究的主要内容
40、：,解决电子光学系统中场的分布(类似应用光学的折射率分布)问题；,电子的运动规律和运动轨迹；,讨论理想成像和各种特殊类型的电子透镜及其像差理论；,上午12时55分,光电成像原理,81,5.4 电子图像的成像理论,电子光学理论中，讨论和研究电子光学系统的场分布、运动规律和运动轨迹、理想成像和电子透镜以及像差理论的条件：,场为静场，与时间无关或者随时间变化很慢，即场只是空间坐标的函数；,在真空中；,忽略电子束本身空间电荷或电流分布对场的影响；,电子速度远小于光速，不考虑相对论修正。,上午12时55分,光电成像原理,82,5.4 电子图像的成像理论,电子光学研究的主要内容：,解决电子光学系统中场的分
41、布(类似应用光学的折射率分布)问题；,电子的运动规律和运动轨迹；,讨论理想成像和各种特殊类型的电子透镜及其像差理论；,上午12时55分,光电成像原理,83,5.4 电子图像的成像理论,一、旋转对称场中场方程的数学表达式,1. 旋转对称静电场的幂级数表达式及场分布、性质,在旋转对称场中建立圆柱坐标系（z，r，），其中z轴沿着光阴极向荧光屏的方向，则电位函数V与无关，只是z和r的函数，且关于z轴对称。,因为旋转对称所以电位V与无关，由电磁场理论出发可得：,上午12时55分,光电成像原理,84,5.4 电子图像的成像理论,由于r较小时级数收敛快，所以对谢尔赤公式取前三项或前两项来确定空间的场分布：,
42、谢尔赤(Scherzer)公式是电子光学理论中的基本公式，其在r比较小的区域内级数收敛快，r比较大时收敛慢；由谢尔赤公式可知，只要知道轴上电位分布就可以确定空间电位分布。,对于离轴较远的场分布，简化形式不适用，谢尔赤公式也不方便，此时可用积分形式求得其电位分布。,上午12时55分,光电成像原理,85,旋转对称电场的积分表达式：,5.4 电子图像的成像理论,对式5.4-1进行分离变量可得积分表达式：,根据上式，已知轴上电位的情况下可以求出空间电位分布。,旋转对称近轴区的性质：,对于电子光学成像系统，一般情况要求带点粒子运动局限在近轴区域内以获得好的成像质量。通常也是采用近轴区域的电子轨迹来定性分
43、析场内的带电粒子的运动。,上午12时55分,光电成像原理,86,5.4 电子图像的成像理论,由谢尔赤公式得到近轴区（取前三项）的径向和轴向电场强度：,对于旋转轴对称的近轴区，可以略去r2及以上的高次幂项，得到电子光学系统中的电场强度：,上午12时55分,光电成像原理,87,5.4 电子图像的成像理论,因此，静电场对带点粒子在径向和轴向的作用力分别为：,电子径向受力分析：,电子受到的径向力与轴上电位的二阶导数和r成正比，其受力方向由二阶导数的符号决定。,上午12时55分,光电成像原理,88,电子轴向受力分析：,5.4 电子图像的成像理论,由电子受到的轴向电场力可知：V(z)0时，电子沿轴向加速；
44、 V(z)0时，电子沿轴向减速； V(z) =0时，电子沿轴向匀速漂移。,上午12时55分,光电成像原理,89,5.4 电子图像的成像理论,2. 旋转对称静磁场的幂级数表达式及场分布、性质,在旋转对称场中建立圆柱坐标系（z，r，），按照旋转对称静电场的方式可得到矢量磁位A和磁感应强度的谢尔赤公式：式5-139。,对于r较小的近轴区级数收敛快，取谢尔赤级数解的前三项或前两项；由于是旋转对称场，所以可略去r2及r2以上的高次幂项，因此有近轴区域的近似表达式：,上午12时55分,光电成像原理,90,5.4 电子图像的成像理论,近轴区域的磁场强度Bz(z，r)的大小与r无关，等于轴上的磁场强度；径向磁
45、场强度Br(z，r)的大小与r成正比。,由于磁场作用，电子的径向力(洛伦磁力)为：,已知轴上磁场分布就可求出空间任一点的磁场强度;,近轴区域， Br Bz，磁力线近似于螺线管的磁力线，与z轴平行，电子在该磁力线作用下产生会聚;,上午12时55分,光电成像原理,91,5.4 电子图像的成像理论,电子光学研究的主要内容：,解决电子光学系统中场的分布(类似应用光学的折射率分布)问题；,电子的运动规律和运动轨迹；,讨论理想成像和各种特殊类型的电子透镜及其像差理论；,上午12时55分,光电成像原理,92,5.4 电子图像的成像理论,二、静电磁场中带电粒子的运动,带电粒子在电场和磁场的作用下，沿着一定的轨
46、迹运动，获得能量增强和聚焦成像。,1. 电子在电磁场中的运动方程,电子在电磁复合场中受到如下作用力：,在非相对论情况下，电子运动遵守牛顿定律：,上午12时55分,光电成像原理,93,5.4 电子图像的成像理论,由以上两式可得到电子的运动方程：,建立直角坐标系，可得到按坐标分量x、y、z和时间t之间的电子运动方程关系式：,以上两式（*）和（*）是描述带电粒子在给定场内运动的基本方程。,上午12时55分,光电成像原理,94,5.4 电子图像的成像理论,带点粒子在场内按照运动方程运动的能量来自哪里？,磁场对电子产生的洛伦磁力不做功，只是改变电子的运动方向，电子获得的能量来自于电场。,根据能量守恒，有
47、：,上午12时55分,光电成像原理,95,5.4 电子图像的成像理论,规范化电位：表示选择电子动能为零的地方作为电位的零点，用该规范化电位直接表示电子的动能。,因此，电子在电位V处的动能为：,上午12时55分,光电成像原理,96,5.4 电子图像的成像理论,2. 电子在电磁场中的轨迹方程,在给定外部能量场的E、B的空间分布和初始条件（电子的位置、速度等），则可以根据直角坐标系下按坐标分量的电子运动方程关系式解得以时间t为参变量的电子运动方程：,如果给定某一时间t1，则用电子运动的基本方程就可解得电子在直角坐标系下的坐标(x1，y1，z1)，如果给出一组时间，则可以得到电子在场空间的踪迹。,为什
48、么还需要电子轨迹方程呢？,上午12时55分,光电成像原理,97,电子轨迹方程：消去基本方程中的参变量t，用x，y，z的其中一个作为参变量，这种不含时间参变量t的电子运动微分方程就是电子轨迹方程。,5.4 电子图像的成像理论,电子轨迹方程的推导方法：电动力学方法和光学方法。,电动力学方法：从基本方程（电子运动在三个坐标分量上的微分方程）出发，利用能量守恒定律消去时间参变量t，从而得到电子轨迹方程。,光学方法：基于分析力学中的最小作用原理（类似于几何光学中的费马原理），利用电子光学折射率来获得电子轨迹方程。,上午12时55分,光电成像原理,98,由电子的运动方程的基本方程出发，选择z作为独立变量，
49、则有电场作用下的轨迹方程：,5.4 电子图像的成像理论,a. 电磁场中直角坐标系下的轨迹方程,(1) 电动力学方法推导的轨迹方程,上午12时55分,光电成像原理,99,5.4 电子图像的成像理论,b. 电磁场中圆柱坐标系下的轨迹方程,在圆柱坐标系下利用能量守恒定律，利用基本方程第一式在圆柱坐标系下三个坐标上的投影并选取独立变量z，消去参变量t得到电子的轨迹方程:,其中，第一式是电子径向运动的轨迹方程，第二式是电子角向运动的轨迹方程，圆柱坐标系下的电子轨迹方程分解为径向和角向进行考虑。,上午12时55分,光电成像原理,100,5.4 电子图像的成像理论,(2) 光学方法推导电子轨迹方程,前面导出
50、的电子轨迹方程较复杂，电子光学理论中，感兴趣的是近轴区域情况，对一般情况的轨迹方程中二次项（含）以上略去得到一级近似条件下的电子近轴轨迹方程（高斯轨迹方程）。,(3) 旋转对称复合场中电子的高斯轨迹方程和傍轴轨 迹方程,基于分析力学的最小作用原理，类似于费马原理，电子轨迹将沿着极值路程运动，引入电子光学折射率，可推导出一样的轨迹方程（直角坐标系和圆柱坐标系下的轨迹方程）。,上午12时55分,光电成像原理,101,5.4 电子图像的成像理论,在旋转对称近轴近似条件下，有下列近似表达式：,a. 高斯轨迹方程,上午12时55分,光电成像原理,102,5.4 电子图像的成像理论,电子角向运动的轨迹方程
