Главная страница «Первого сентября» • Главная страница журнала «Физика» • Содержание №9/2009

Материал к уроку

Как это устроено?..

См. также № 1, 3, 5, 7/09

Приборы ночного видения. Человек не видит в темноте, тем не менее миллионы телезрителей регулярно смотрят зеленоватые кадры репортажей с мест ночных боевых действий или сцен ночной охоты животных. Это возможно благодаря встроенным в видеокамеры трубкам электронно-оптических преобразователей (ЭОП). Именно такая технология дала в руки полиции мощное средство наблюдения за ночными жуликами. Свет звёзд, Луны и источников искусственного освещения почти не фиксируются этой аппаратурой. Конструктивно различают три поколения ЭОП. Согласно стандарту США, при Луне в фазе четверти (0,01 люкс) прибор 3-го поколения должен различать человека ростом 180 см на расстоянии 550 м. Стоимость качественного монокуляра ночного видения составляет 2000–3500 долл. Сердцем каждого прибора является ЭОП, который преобразует слабый поток фотонов в поток электронов, усиливает его и преобразует в изображение. Срок годности – не менее 10 000 ч (с возможностью замены трубки ЭОП) при эксплуатации в нормальных условиях. Приборы плохо работают при тумане, пыльной буре, в дыму. Именно поэтому в военной обстановке солдаты пользуются шлемами с очками (или биноклями) ночного видения, которые чувствительны не к самой температуре, а к градиенту температур, создаваемому нагретым телом – неприятельскими солдатами или техникой – при движении, и видному как чёрно-белое изображение. Разрешение очков, конечно, значительно хуже, чем монокуляров. Объекты же, имеющие ровную температуру, например, рытвины на дороге, вообще не видны. Однако дальность обнаружения составляет несколько километров. Сейчас предлагается масса всевозможных модификаций подобных приборов.

• В монокулярах ночного видения ничтожное количество фотонов, приходящих на линзу в темноте, фокусируются на фотокатод вакууммированной трубки 1 ЭОП, где преобразуются в поток электронов. Электроны ускоряются электрическим полем (сотни вольт) и попадают на микроканальную пластину 2, отстоящую от фотокатода всего на несколько микрометров – толщину двух листов бумаги. На пластине происходит процесс фотоумножения (в поле около 1 кВ, приложенном к её торцам), и усиленный поток электронов направляется ещё одним электрическим полем (до 6 кВ) на фосфоресцирующий экран 3, отстоящий от 2 на расстояниe несколько десятков микрометров. На экране происходит обратное преобразование электронов в фотоны, так что формируется изображение, которое и наблюдают глазом.

• ИК-изображение получается зелёным, потому что кристаллофосфóры, которыми покрыт экран, излучают зелёный свет (длина волны около 550 нм), соответствующий максимальной спектральной чувствительности человеческого глаза и максимальной контрастности изображения.

  1. В чувствительном слое фотокатода, всего несколько микрометров толщиной, фотоны преобразуются в электроны. Наибольшей квантовой эффективностью в красном и ближнем инфракрасном диапазонах, характерных для излучения ночного неба, обладают полупроводники на основе арсенида галлия (GaAs). Напряжение между фотокатодом и микроканальной пластиной – сотни вольт.
  2. В микроканальной пластине имеются миллионы тончайших сквозных отверстий. пролетая сквозь такое отверстие и соударясь со стенками, электрон каждый раз выбивает 2–3 вторичных электрона, так что исходный поток усиливается во много раз. Оксидная плёнка предотвращает обратный поток положительных ионов, которые могут появляться при соударениях в каналах, к фотокатоду. Ускоряющее напряжение, приложенное к металлизированным торцам микроволновой пластины, – киловольты.
  3. На светящемся экране формируется видимое изображение, когда ускоренные электроны, налетая на частицы кристаллофосфóра, возбуждают их, как это происходит и в электронно-лучевой трубке. Во избежание отражения фотонов обратно к фотокатоду экран металлизируют. Напряжение между микроканальной пластиной и экраном – до 6 кВ.
рис.1

Редакция советует посмотреть сайты:

Продолжение следует

Scientific American, 2003, August, p. 86–87.
Сокр. пер. с англ. Н.Д.Козловой