CC BY
108
Раздел III. Нанотехнологии в экологии, чистая вода,
чистый воздух
УДК 621.375; 551.51
О.В. Алымов, ГЛ. Левко, ЮТ. Чукавина, B.JI. Чулков ФОТОПРИЕМНЫЕ УСТРОЙСТВА ТЕЛЕВИЗИОННЫХ
-
МОНИТОРИНГА
Рассмотрены фотоприемные устройства УФ, видимого и ИК-диапазонов спектра выпускаемые ОАО «ЦНИИ “Электрон"» для применения при создании телевизионной и оптико-электронной аппаратуры экологического мониторинга. Описаны основные параметры выпускаемых ФЭУ, ЭОП линейных, матричных и твердотельных приборов. Для новых телевизионных систем экологического мониторинга перспективным является электроннооптический преобразователь 5-го поколения. Установка более тонкой ПЗС-матрицы внутрь объема резко улучшает отношение сигнал-шум фотоэлектронного прибора. Для решения ряда задач экологического мониторинга системами космического базирования разрабатывается вариант кристалла, предназначенного для сборки в приемные массивы в фокальной .
Фотоэлектронный умножитель; электронно-оптический преобразователь; телевизионная система; электронно-оптическая система.
G.V. Levko, O.V. Alymov, V.L. Chulkov, U.G. Chukavina PHOTODECTORS FOR TV AND ELECTROOPTICAL SYSTEMS APPLIED IN ECOLOGICAL MONITORING
UV, visible and IR detectors produced by OJSC NRI “Electron" and applied for development of ecological monitoring TV and electrooptical systems are considered. Main specifications of produced PMTs, image intensifier tubes, linear and array devices are presented. For new television systems of ecological monitoring the electron-optical converter of 5th generation is perspective. Installation of more thin CCD matrixes in volume sharply improves the relation a signal-noise of the photoelectronic device. For the decision of some problems of ecological monitoring systems of space basing develop a variant of the crystal intended for assemblage in reception files in a focal plane.
Photomultiplier tube; image intensifier tube; TV system; electrooptical system.
Активные и пассивные телевизионные и оптико-электронные системы являются важной составной частью аэрокосмических методов экологического мониторинга. Технические параметры этих систем во многом определяются применяемыми в них фотоприемными устройствами [1]. Основные направления работ ОАО «ЦНИИ “Электрон”» по созданию этих устройств иллюстрирует рис. 1.
.
получили широкое распространение в лидарах применяемых в экологическом мониторинге. Это обусловлено большим коэффициентом усиления и малыми собственными шумами ФЭУ. ОАО «ЦНИИ “Электрон”» выпускает более десятка наименований ФЭУ для разнообразных применений (рис. 1). ФЭУ-202 имеет улучшенную линейность световой характеристики в импульсном режиме, многоще-
лочной фотокатод, электростатическую фокусировку электронов, 14-динодную систему умножения жалюзийного типа. Основные параметры ФЭУ-202 приведены в табл. 1.
Рис. 1. Фотоприемные устройства ОАО «ЦНИИ “Электрон”» для активных и пассивных систем экологического мониторинга
Таблица 1
Основные параметры ФЭУ-202
Диаметр фотокатода, мм 40
Диапазон спектральной чувствительности, нм 260 - 700
Световая анодная чувствительность, не менее, А/лм 300
Темповой ток, не более, А 5х10-7
Коэффициент усиления в нормальных условиях 1х106
Нелинейность световой анодной характеристики в импульсном режиме при амплитуде анодного тока 0,6 А и длительности импульса в диапазоне (1-100) %, не более 15
Фотоэлектронный умножитель ФЭУ-143 имеет бищелочной фотокатод, плосковогнутое входное окно из боросиликатного стекла, электростатическую фокусировку электронов и линейную 12-динодную систему умножения. Прибор разработан для исследования быстропротекающих процессов. Обладает хорошим амплитудным разрешением и минимальным разбросом времени пролета в преде-
. . 2.
2
Основные параметры ФЭУ-143
Диаметр фотокатода, мм 40
Материал 1-го динода ОаА8Р
, световой анодной чувствительности 100 А/лм, В, не более световой анодной чувствительности 1000 А/лм, В, не более 2000 2450
Диапазон спектральной чувствительности, нм 360^650
Световая чувствительность фотокатода, мкА/лм 60
Спектральная чувствительность фотокатода на X = 410 нм, мА/Вт 65
Время нарастания импульсной характеристики, не, не более 3,0
Для работы в аппаратуре радиационного мониторинга выпускаются радиационно-стойкие фотоэлектронные умножители типа ФЭУ-175, ФЭУ-187, ФЭУ-188, ФЭУ «Клон», ФЭУ «Капкан».
О возможности работы ФЭУ в радиационных полях обычно судят по необратимым изменениям параметров. Эти изменения параметров ФЭУ главным образом связаны с процессами, происходящими в стекле входного окна. Наиболее сильно проявляющийся при этом эффект - изменение светопропускания стекла из-за его окрашивания - приводит к сдвигу спектральной характеристики в длинноволновую область и, как следствие, к уменьшению анодной чувствительности.
Заметных устойчивых эффектов прямого влияния ионизирующего излучения на фотокатод и динодную систему не обнаружено. ФЭУ-175, ФЭУ 187, ФЭУ 188, ФЭУ «Капкан» и ФЭУ «Клон» имеют накопленную дозу до Ду = 2х10брад. Данные приборы также обладают высокой стойкостью к действию быстрых (Е > 0,1МэВ) нейтронов (Фн = 1х1014нейтр./см2). Указанные ФЭУ обладают также повышенной магнитоустойчивостью. Так ФЭУ-188 может работать в магнитных полях до 4Тл. Основные параметры радиационно-стойких ФЭУ представлены в табл. 3.
Таблица 3
Параметры радиационно-стойких ФЭУ
Тип ФЭУ-175 ФЭУ-187 ФЭУ «Капкан»
Диаметр фотокатода, мм 15 20 18
Число динодов 14 15 15
Диапазон максимальной спектральной , 380-420
Чувствительность фотокатода Световая, / >50 60 60
Спектральная (X), мА/Вт 50(420) 60(400) 60(400)
Анодная световая чувствительность, А/лм 10 30 30
Темповой анодный ток (тип), А 5х10-9 1х10-8 1х10-8
Коэффициент усиления В нормальных условиях 10-30 5х105 5х105
В магнитном поле — 2х105 2х105
Время нарастания импульса, не 1,2 1,4 1,4
Г ибридные модульные фотоприемные устройства. Одним из важнейших параметров телевизионных систем, в том числе и используемых для экологического мониторинга в различных диапазонах спектра, является их чувствительность. Она практически полностью определяется применяемым оптико-электронным преобразователем (датчиком). Для повышения чувствительности часто используется фоточувствительные модули на основе усилителя/усилителей яркости и ПЗС матрицы. Табл. 4 иллюстрирует основные характеристики выпускаемых высокочувствительных широкоформатных модульных фотоприемных устройств.
Таблица 4
Основные параметры гибридных фотоприемных устройств
Наименование параметра Фотоприемное устройство
«ФМТП-1» «ФМТП-3» «Сириус-Ф»
Усилитель яркости, поколение 2+ / 3 1 + 2+ 2+
Рабочее поле изображения, мм 9,8 х 13,1 24 х 32 24 х 32
Тип фотокатода Многощелочной / А і і і Ву Многощелочной Многощелочной
Диапазоны спектральной чувствительности, мкм 0,38-0,85 / 0,5-0,9 0,40-0,85 0,40-0,85
Окончание табл. 4
Наименование параметра Фотоприемное устройство
«ФМТП-1» «ФМТП-3» «Сириус-Ф»
Интегральная чувствительность фотокатода, мкА/лм 500-600/1500 180-300 400-500
Максимум спектральной , 600/800 500 600
Ф НПЗ-матрица с кадровым переносом: - число элементов - размер элемента, мкм 760x580 17x34
Габаритные размеры, мм 050x65 089x173 063x86
Рабочая освещенность (РО), лк 210-4 /1 10-4 5-10-5 210-4
Разрешающая способность , 500 450-500 500
Пороговая , 210-6 (200твл) 5-10-7 (200твл) 5-10-7 (150твл)
Стробирование, не >10 >10 >10
Наиболее перспективным для новых разрабатываемых телевизионных систем экологического мониторинга среди гибридных приборов является так называемый электронно-оптический преобразователь (ЭОП) 5-го поколения. Установка утоньшенной ПЗС матрицы внутрь объема ЭОПа резко улучшает отношение сигнал-шум фотоэлектронного прибора. В ОАО «ЦНИИ “Электрон”» проведены работы по созданию такого ЭОПа на основе электронно-чувствительной ПЗС матрицы с числом элементов 768x580 для видимого диапазона. В настоящий момент получено усиление электронов в матрице 800 раз при ускоряющем напряжении 6 кВ. Ожидается достижение пороговой освещенности < 5-10-5 лк и рабочей освещенности на фотокатоде < 5-10-4 лк с отношением сигнал/ шум не менее 30.
Прибор представляет собой проксимити электронно-чувствительный прибор с многощелочным фотокатодом типа Б20 и анодом в виде электронно-
- ( . 5).
5
Основные параметры гибридного прибора (ЭОП 5-го поколения)
Фокусировка Проксимити
Наличие МКП Нет
Чувствительность, В/лк 300 • 400
Сигнал/ шум при рабочей освещенности 30
Рабочая освещенность, лк 5 • 10-4
Пороговая освещенность, лк 5-10-5
Размер чувствительной области, мм 13,1 х 9,8
Размер элемента ПЗС, мкм 17x34
Разрешающая способность при рабочей освещенности, твл 400 • 450
Диапазон спектральной чувствительности, мкм 0, 4 •I- 0, 8
Число элементов 768 х 580
В настоящее время институт ведет исследовательские работы по созданию фотокатодов для УФ части спектра на современных материалах, таких как GaN и АЮаК На их базе будут созданы солнечно-слепые фотокатоды. Опыт института
- -
стоками представленными в табл. 6. Это существенно облегчит создание многоспектральных телевизионных систем для экологического мониторинга, так как все спектральные каналы будут иметь одинаковую электронику и конструктив. Отличие будет только в параметрах объективов.
6
Параметры ЭОП 5-го поколения для различных областей спектра
Диапазон спектра УФ Видимй ИК
Область спектральной чувствительности, мкм 0,2ф0,32 О 4 ф р 8 1,0 ф 1,7
Квантовый выход фотокатода, % 8 ф 10 10 ф 20* 5 ф 10
Спектральная чувствительность фотокатода, мА/Вт 15 ф 20 40 ф 80* 40 ф 100
Усиление ЭЧ-ПЗС 400
Чувствительность прибора, А/Вт 5ф 10 15 ф 30 15 ф 40
* - В максимуме чувствительности фотокатода.
Внешний вид гибридных модульных фотоприемных устройств приведен на рис. 1.
Твердотельные фотоприемные устройства. Широкое прим енение при создании телевизионных систем для экологического мониторинга имеют линейные и матричные ПЗС. ОАО «ЦНИИ “Электрон”» выпускает ПЗС для различных диапазонов длин волн от 0,2 мкм до 1,1 мкм, а также ИК-матрицы на диапазон 3-н5 мкм. Рис. 1 демонстрирует разнообразие типов, форматов и конструктивных вариантов выпускаемых линейных и матричных ПЗС. Особенно интересны для создания телевизионных систем для экологического мониторинга новейшие разработки института - линейный ПЗС с числом элементов 12 000 и матричный ПЗС «Квадро» с числом элементов 4096x4096.
Линейный фоточувствительный прибор с переносом заряда ЛФППЗ-12000 имеет 12000 фоточувствительных элементов размером 6,5х6,5 мкм. Прибор имеет билинейную организацию и содержит индивидуальные секции для детектирования и накопления зарядовых пакетов. Имеется встроенный антиблюминг с кратностью пересветки не менее 100 раз. Предусмотрен режим электронного экспонирования 10 .
Таблица 7
Основные параметры ЛФППЗ-12000
Количество фоточувствительных элементов 12000
Размер фоточувствительного элемента, мкм2 6,5 х 6,5
Диапазон спектральной чувствительности, нм 200ф1100
Число выходных узлов 4
Динамический диапазон 5000
Чувствительность В/Лк-с 2,5
Относительная световая неравномерность, % ±10
Относительная темновая неравномерность, % 1,0
Максимальная частота работы, МГц 2,5
Учитывая большой линейный размер фоточувствительной области и большое количество элементов, на ЛФППЗ-12000 могут быть созданы телевизионные системы для экологического мониторинга имеющие сверхвысокое пространственное разрешение. Также эта линейка может быть основой для уникальных спектрофо-.
« » , -17т работать в режиме импульсного и непрерывного освещения. Матрица имеет центральную симметрию, два выходных регистра и четыре выходных узла. Прибор может работать в телевизионной аппаратуре с непрерывным и импульсным освещением, в системах преобразования и обработки изображения, а также в из. 1 40 .
Таблица 8
Основные параметры ФППЗ «Квадро»
Число фоточувствительных элементов 4096x4096
Размер фоточувствительной области, мм 45,056 х 45,056
Диапазон спектральной чувствительности, нм 350ф1000
Размер фоточувствительного элемента, (ГхВ), мкм 11x11
Напряжение насыщения, В 1,1
Монохроматическая чувствительность на X = 670 нм, В/мк Дж/см2 5
Среднее значение тем нового сигнала, мВ/с 30
Среднеквадратичная неравномерность выходного сигнала, % 2
Шум, не более, е 22
Динамический диапазон 8000
« » « “ ”» исследования по созданию матрицы, освещаемой с обратной стороны подложки. Целью работы является создание прибора с числом элементов 4Кх4К и размером пикселя 11x11 мкм, имеющего спектральный диапазон 200-1000 нм и квантовую
90 %. -
, , вариант исполнения прибора в прецизионном вакуум-плотном газонаполненном корпусе с охлаждением кристалла с помощью микрохолодильника на эффекте .
Для решения ряда задач экологического мониторинга, решаемых системами
,
прибора, как 4Кх4К [2]. Для обеспечения решения таких задач разрабатывается вариант кристалла, предназначенного для сборки в фотоприемные массивы (“мозаики”) в фокальной плоскости. Конструкция кристаллов обеспечивает их сборку в фоточувствительный массив с минимальными зазорами между кристаллами.
Центром экологической безопасности РАН под руководством Б.В. Шилина был проведен ряд работ с авианосителей и в полевых условиях с помощью высокочувствительной ультрафиолетовой (0,2-0,4 мкм) камеры разработанной в ОАО « »
фотоприёмником с переносом заряда. Получены аэроснимки различных фоноцелевых обстановок в УФ-диапазоне хорошего качества (один из примеров рис. 2). Подтверждена общая зависимость сходства спектральных характеристик компонентов ландшафта в видимом диапазоне и ультрафиолете за исключением ряда
, , -( , , ), оценена перспективность применения ультрафиолетовой съёмки в общем комплексе аэрокосмических методов.
Рис. 2. Нефтяная пленка на водной поверхности Финского залива в районе
о. Котлин (2006 г.)
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Аксиненко М.Д., Бараночников ММ., Смолин О.В. Микроэлектронные фотоприемные устройства. - М.: Энергоиздат, 1984. - 208 с.
2. Маламед Е.Р. Конструирование оптических приборов космического базирования. - СПб.: ГИТМО (ТУ), 2002. - 292 с.
Статью рекомендовал к опубликованию д.т.н. И.В. Левун.
Левко Геннадий Владимирович
ОАО «ЦНИИ “Электрон”».
E-mail: [email protected], [email protected].
194223, Санкт-Петербург, пр. Тореза, 68.
Тел.: 88125522809.
Заместитель генерального директора по научной работе - технический директор; к.т.н.
Алымов Олег Витальевич E-mail: [email protected].
Тел.: 88125523600.
« “ ”».
Чукавина Юлия Геннадьевна E-mail: [email protected].
Тел.: 88125522809.
« “ ”».
Чулков Владимир Леонидович
Секции прикладных проблем при Президиуме РАН.
E-mail: [email protected].
117333, г. Москва, ул. Губкина, д. 3.
.: 84991350252.
; . . .; .
Levko Gennady Vladimirovich
Open - Joint Stock Company National Research Institute “Electron”.
E-mail: [email protected].
68, Toreza Ave., St. Petersburg, 194223, Russia.
Phone: +78125522809.
Deputy General Director for Science; Technical Director; Cand. of Eng. Sc.
Alymov Oleg Vitalievich
E-mail: [email protected].
68, Toreza Ave., St. Petersburg, 194223, Russia.
Phone: +78125523600.
General Director.
Chukavina Yulia Gennadyevna
E-mail: [email protected].
Phone: +78125522809.
Director of Contract and Marketing Departments.
Vladimir Leonidovich Chulkov
Section applied problem of Presidium RAS.
E-mail: [email protected].
3, Gubkina Street, Moscow, 117333, Russia.
Phone: +74991350252.
Section Applied Problem of Presidium RAS; Dr. of Eng. Sc., Professor.
УДК 502:681.88
B.H. Воробьёв, В.Б. Митько
,
ШКОЛЫ ПРИКЛАДНОЙ ГИДРОФИЗИКИ В РОССИЙСКОМ ГОСУДАРСТВЕННОМ ГИДРОМЕТЕОРОЛОГИЧЕСКОМ УНИВЕРСИТЕТЕ
Обсуждаются внешние и внутренние факторы, определяющие концепцию развития научной школы прикладной гидрофизики в современных условиях интенсивно развивающегося направления освоения Мирового океана. К основным внешним факторам относятся новые требования и организационные формы кооперации научных, производственных и образовательных структур, к внутренним — накопленный опыт подготовки специалистов в Университете и участие в новом современном типе кооперации — технологической платформе «Освоение океана».
Гидрофизика; подготовка специалистов; технологическая платформа.
V.N. Vorobyov, V.B. Mit’ko
FACTORS, DETERMINING THE DEVELOPMENT OF SCIENCE SCHOOL OF APPLIED HYDROPHISICS CONCEPTION IN RUSSIAN STATE GIDROMETEOROLOGICAL UNIVERSITY
There are discussing external and internal factors, determining the conception of applied hydrophysics school development in modern conditions of World ocean assimilation. For main external factors are depending new requests and organization forms of science, industrial and educational structures, to internal — accumulated experience of specialists preparation in University and participation in new modern tipe of cooperation — Technological platform “Assimilation of Ocean".
Hydrophysics; preparation of specialists; technological platform.
XXI в. является столетием освоения Мирового океана Человечеством. Практически все проблемы Планеты решаются в океанах и морях: от разработки ресурсов и обеспечения экологической безопасности до транспортно-коммуникационных, военных и научных. Особое значение в этом контексте приобретает Арктический регион, который многие исследователи считают точкой бифуркации
