Стробирование ICCD

Введение

В последние годы достижения в области разработки электронно-оптических преобразователей (ЭОП) в сочетании с продвижениями в области технологии ПЗС позволили получать изображения объектов при ультранизких уровнях освещённости. Обнаружение и временное разрешение при низкой освещённости - это два уникальных преимущества ICCD. Обнаружение при малой освещённости достигается за счёт большого усиления входного потока фотонов в ЭОП, а высокое временное разрешение - за счёт возможности включать ЭОП (стробировать его) на очень короткое время.

Принцип действия

Рисунок 1. Устройство электронно - оптического преобразователя.

Устройство электронно-оптического преобразователя показано на рисунке 1. Преобразователь состоит из фотокатода, микроканальной пластины и фосфорного экрана. Часть фотонов, попадающих на фотокатод, преобразуется в электроны. Отношение их количества к общему числу фотонов называется квантовой эффективностью. Одиночные электроны преобразуются в облачка электронов в микроканальной пластине (МКП), которая работает как распределённый электронный умножитель. Электроны, вылетающие из МКП, ударяются о флуоресцентный экран из фосфора. В результате экран излучает гораздо больше фотонов, чем попадает на фотокатод.

Обычно напряжение между фотокатодом и входом МКП используется для включения и выключения ЭОП. Если напряжение на фотокатоде более положительно, чем на входе МКП, электроны не входят в МКП и ЭОП выключен. Если же напряжение на фотокатоде смещено в отрицательную сторону относительно входа МКП, то поток электронов усиливается в МКП, и ЭОП включён.

Медленно и быстро стробируемые ЭОП

Рисунок 2. Отношение on/off и FWHM.

Материал фотокатода наносится на внутреннюю поверхность входного окна ЭОП. Электрически он представляет собой множество резистивно-емкостных цепей. Их высокое сопротивление приводит к большой величине постоянной времени RC, из-за чего материал фотокатода не допускает быстрого включения и выключения. Чтобы преодолеть это ограничение, на входное окно наносится тонкий слой никеля, который снижает сопротивление и обеспечивает быстрое стробирование. Для ЭОП со слоем никеля время стробирования может достигать 2 нс. Однако квантовая эффективность системы из-за наличия никелевого слоя снижается. Данные производителей ЭОП говорят о том, что синжение квантовой эффективности может достигать 40%. У медленных ЭОП, не имеющих слоя никеля, квантовая эффективность выше, но время стробирования составляет 25 нс и более.

Качество стробирования в ICCD определяется минимальной шириной импульса и соотношением on/off. Минимальная ширина импульса стробирования измеряется как полная ширина на половине максимума (full width at half maximum, FWHM) импульса стробирования. Обычно величина FWHM лежит в пределах от единиц до десятков наносекунд. Отношение on/off - это соотношение света на выходе ЭОП во включённом и выключенном (путём стробирования) состоянии. Оно непосредственно определяет качество стробирования (см. рисунок 2). Высокое отношение on/off необходимо для устранения фонового свечения и точного отображения переходных процессов. В видимой области отношение on/off обычно достигает 10⁴:1. В ультрафиолетовой области оно, как правило, хуже. Однако, благодаря применению новой техники стробирования, называемой MCP Bracket Pulsing, отношение on/off в ультрафиолетовой области может быть значительно улучшено (10⁷:1).

MCP Bracket Pulsing™

Как объяснялось ранее, только часть приходяших фотонов поглощается фотокатодом. Остальные фотоны проходят сквозь него и ударяются о входную сторону МКП. Эта утечка не опасна для видимой области, так как фотоны не имеют достаточной энергии, чтобы генерировать электроны на поверхности МКП. Но на ультрафиолетовых длинах волн их энергии достаточно для того, чтобы выбивать случайные электроны из МКП. Попав в МКП, нежелательные фотоэлектроны умножаются, преобразуясь в зарядовые облачка, которые генерируют фотоны в фосфоре. Этот эффект уменьшает отношение on/off в обычной ситуации (когда МКП включается на длительное время) примерно до 10⁴:1.

Рисунок 3. MCP Bracket Pulsing.

Однако, если напряжение на МКП смещено в направлении выключения (в сторону фотокатода) в то время, когда ЭОП должен быть выключен, то умножение электронов предотвращается, и отношение on/off превышает 10⁷:1. Реализация этой стратегии в ICCD камерах требует наличия двух высоковольтных импульсных генераторов: одного для фотокатода и одного для МКП. При этом требуется большая мощность, поэтому генератор для стробирования МКП получается медленным. Из-за этого ему требуется 500-нс "опережающий старт" относительно оптического импульса. И ещё 500 нс ему понадобятся на выключение. Другими словами, стробирующий импульс МКП "охватывает скобкой" (brackets) импульс стробирования фотокатода, как показано на рисунке 3.

Генерировать опережающий импульс не всегда удобно. В большинстве экспериментов нет возможности обеспечить паузу в 500 нс перед вспышкой лазера. В подобных случаях для "угадывания" момента прихода оптического импульса используется "предсказатель" (anticipator).

Предсказатель

Если источник света (обычно лазер) пульсирует с постоянной частотой, то специальный генератор может измерять интервалы между импульсами и активировать МКП за заданное оператором время до ожидаемой вспышки лазера.

Стробирование МКП

Возможность включать и выключать МКП даёт дополнительную возможность управления ЭОП, известную как стробирование МКП (MCP gating). Она позволяет получать такую же квантовую эффективность, как у медленно стробируемых ЭОП, но при более коротких временах стробирования. Низкое сопротивление обеих сторон МКП позволяет стробировать МКП быстрее, чем медленный фотокатод. Эта техника даёт время стробирования менее 10 нс (лучше, чем у медленно стробируемых ЭОП) без ухудшения квантовой эффективности системы. Это превосходное решение для тех применений, где при низкой освещённости не требуются экстремально высокие скорости стробирования.