§ 16.4. Ночные прицелы

Различные виды излучения представляют собой электромагнит­ные колебания, свойства, способы получения и действие которых зависят от длины волны. Совокупность всех электромагнитных волн составляет электромагнитный спектр. Этот спектр условно можно разбить на отдельные области, частично перекрывающие друг друга (рис. 16.17).

Наиболее узкий участок спектра (0,4—0,76 мкм) занимают ви­димые лучи, воспринимаемые человеческим глазом и используемые в оптических прицелах наземной артиллерии. Непосредственно к видимой области со стороны более длинных волн примыкают ин­фракрасные лучи, а со стороны более коротких волн — ультрафио­летовые лучи.

Инфракрасные и ультрафиолетовые лучи невидимы для нево­оруженного глаза, но обладают такими же свойствами, как и ви­димые лучи, т. е. распространяются прямолинейно, преломляются и отражаются. Это позволяет использовать их для получения невидимого изображения объектов с помощью оптических систем, состоящих из линз и зеркал. Невидимое изображение в дальней­шем преобразовывается в видимое, благодаря чему обеспечивается возможность наблюдения в темноте и создания ночного прицела.

Рассмотрим, какие из невидимых лучей более рациональны для ночных прицелов.

Как известно, тела излучают и поглощают лучистую энергию не непрерывно, а порциями — квантами. Энергия кванта пропор­циональна частоте колебаний лучистого потока. Отсюда следует,

что энергия кванта различ­на для различных участков спектра; при этом энергия квантов ультрафиолетовых лучей в 10²—10⁵ раз боль­ше, чем инфракрасных. Это является положительным ка­чеством ультрафиолетовых лучей, применение которых не потребовало бы значи­тельной энергии дополни­тельного источника для пре­образования невидимого изо­бражения в видимое.

Инфракрасные и ультра­фиолетовые лучи, распро­страняясь в атмосфере, встре­чают на своем пути находя­щиеся в ней взвешенные ча­стицы и частично отражают­ся от них, а частично погло­щаются ими. В результате этого лучи рассеиваются по разным _ направлениям и ослабляются, теряя часть своей энергии (которая пе­реходит в тепловую).

Исследования показыва­ют, что энергию распростра­няющихся лучей наиболее сильно ослабляют частицы, размеры которых соизмери­мы с длиной волны лучей. Находящиеся в воздухе взве­шенные частицы вызывают помутнение атмосферы, при­чем частицы с диаметром порядка 0,5 мкм образуют дымку, а скопление частиц с диаметром до 50 мкм об­разует туманы. Хотя степень ослабления зависит от дли­ны волны, даже наиболее коротковолновые инфракрас­ные лучи с длинами волн 1,5—1,6 мкм лучше распро­страняются в атмосфера чем видимые и тем более ультрафиолетовые лучи, про ходя дымку и легкие туманы. Благодаря этому обеспечивается выигрыш в дальности наблюдения примерно в два — четыре раза по сравнению с наблюдением в видимых лучах. Это предопреде­лило выбор для ночных приделов инфракрасных лучей, а в послед­нее время и некоторых лучей видимой части спектра (красных, оранжевых, желтых).

Применению инфракрасных лучей в ночных прицелах способ­ствует также большое процентное содержание их в общей энергии излучения тел. И хотя по мере понижения температуры тела ин­тенсивность излучения быстро уменьшается, содержание инфра­красных лучей в общем излучении увеличивается. Это позволяет использовать для подсветки целей такие технически простые и малогабаритные генераторы инфракрасных излучений, как лампы накаливания.

Достаточно интенсивными источниками инфракрасных лучей являются такие низкотемпературные излучатели, как выхлопные газы двигателей внутреннего сгорания и реактивных двигателей, пламя выстрелов и разрывов и т. п., что позволяет использовать ночные прицелы для обнаружения целей по их собственному ин­фракрасному излучению.

Колоссальным естественным источником лучистой энергии яв­ляется Солнце. Примерно 70% суммарной энергии его излучения приходится на долю инфракрасных лучей. Естественными источни­ками являются также звезды и ночное небо. Освещение предметов естественными источниками инфракрасных лучей позволило соз­дать бесподсветные ночные прицелы.

Ночной прицел в отличие от дневного оптического прицела должен иметь устройство для .преобразования невидимых для невооруженного глаза инфракрасных лучей в лучи видимой обла­сти спектра. Этот сложный процесс происходит в специальном устройстве, называемом электронно-оптическим преоб­разователем.

Электронно-оптический преобразователь (рис. 16.18) представ­ляет собой стеклянную вакуумную электронно-лучевую трубку 1 цилиндрической формы. На передней торцевой поверхности трубки (обращенной в сторону объектива) нанесен светочувствительный слой 2, называемый фотокатодом; на задней поверхности нанесен слой светящегося вещества 4, представляющий собой люминесцирующий экран, а внутри расположена фокусирующая система 3.

Фотокатод предназначен для преобразования энергии ин­фракрасных лучей в пропорциональную ей энергию движущихся электронов.

Фотокатод работает на принципе внешнего фотоэлектрического эффекта, сущность которого заключается в следующем.

Внешние электроны атомов металлов слабо связаны с ядром и под действием даже слабых внешних влияний (например, повы­шения температуры) свободно и хаотически перемещаются от од­ного атома к другому, имея различные скорости и, следовательно, различные значения кинетической энергии. Этой кинетической

энергии недостаточно для того, чтобы электроны могли выйти из металла. Для преодоления тормозящих сил, расположенных вну­три металла у поверхности отрицательных зарядов, и сил электри­ческого притяжения, расположенного снаружи избытка положи­тельного заряда, «свободным» электронам необходимо придать

Рис. 16.18. Электронно-оптический преобразователь:

/ — стеклянная трубка; 2 — фотокатод; 3 — фокусирующая система; 4 — экран

дополнительную энергию. Эта энергия называется работой выхода электронов

При облучении металла лучистым потоком электроны будут поглощать лучистую энергию. Если при этом работа выхода элек­трона будет меньше энергии кванта лучистого потока, то такой электрон может вылететь из металла. Оказывается, для каждого металла существует некоторая минимальная частота колебаний лучистого потока v₀, при которой еще возможен вылет электронов. Эта частота называется граничной, а соответствующая ей длина волны— красной границей фотоэффекта.

Значения работы выхода и красной границы для некоторых веществ приведены в табл. 16.2.

Если один и тот же металл облучать лучами различной длины волны, то кинетическая энергия электронов будет тем больше, чем больше частота падающих на металл лучей. При увеличении ин­тенсивности лучистого потока, вызывающего выход электронов из металла, растет только количество вылетающих электронов. Яв­ление вырывания электронов из металлов во внешнюю среду под действием света называется внешним фотоэффектом-

Таблица 16.2

Из табл. 16.2 следует, что у металлов с большой работой вы­хода (никель, серебро, медь, железо, цинк и др.) внешний фото­эффект вызывается только ультрафиолетовыми лучами с длиной волны менее 0,27 мкм. Фотокатод из щелочных металлов (калий, натрий) чувствителен уже к желто-зеленым лучам спектра види­мого света, а фотокатод из цезия чувствителен к оранжевым лу­чам. Некоторые специально обработанные металлы имеют неболь­шую работу выхода, поэтому фотоэффект происходит у них даже под действием инфракрасных лучей ближней области.

В настоящее время в ночных прицелах, работающих без под­светки целей прожектором, используются многощелочные и сурь- мяно-цезиевые фотокатоды.

Фотокатод представляет собой полупрозрачный светочувстви­тельный слой сложной структуры, который наносится на внутрен­нюю стенку стеклянного баллона и подключается к отрицатель­ному полюсу источника питания.. Фотокатод работает на просвет, т. е. падающие на него лучи проходят через стекло и вызывают фотоэлектронную эмиссию (выбивают электроны) с внутренней, обращенной к экрану поверхности фотокатода. Толщина полупро­зрачного фотокатода составляет всего несколько сотен молекуляр­ных слоев.

Следует иметь в виду, что облучение фотокатода коротковолно­выми видимыми и особенно ультрафиолетовыми излучениями может привести к уменьшению чувствительности фотокатода и даже к вы­ходу его из строя. Для предохранения фотокатода от видимых и уль­трафиолетовых лучей перед ним необходимо помещать специаль­ный фильтр и принимать дополнительные меры по его защите.

Экран служит для преобразования энергии движущихся электронов в энергию видимых лучей и получения видимого изо­бражения наблюдаемых объектов. Он представляет собой слой люминофора, нанесенный на стеклянное основание задней стенки корпуса электронно-оптического преобразователя.

Люминофоры — это вещества, обладающие свойством лю­минесценции, т. е. излучающие свет в холодном состоянии, не по­глощая тепло, под воздействием подводимой к ним энергии в той или иной форме.

Для экранов преобразователей применяют люминофоры вре- . Менного действия, работающие на принципе катодолюминесцен-

ции. Причиной свечения катодолюминофора является возбуждение атомов его ярко выраженной кристаллической решетки электро­нами, падающими на его поверхность с определенной кинетической энергией, которые при возвращении в нормальное состояние от­дают энергию в виде свечения. Величина этой энергии зависит от начальной скорости электрона, вылетевшего с поверхности фото­катода, и разности потенциалов, которую проходит электрон до соударения с люминофором. По окончании возбуждения свечение люминофора прекращается, что и обусловливает его название люминофора временного действия.

Цвет и в значительной степени яркость свечения экрана зави­сят от состава катодолюминофора. Максимум спектральной чув­ствительности люминофора соответствует максимуму спектраль­ной чувствительности глаза, который лежит в области зеленых лучей. Этим объясняется зеленый цвет свечения экрана. Яркость свечения зависит также от плотности электронного тока (числа электронов, падающих на экран в единицу времени) и скорости движения электронов в преобразователе. Повышение яркости за счет повышения плотности тока возможно до насыщения экрана, после чего избыток энергии электронов расходуется на вредный нагрев люминофора. Для отвода излишних электронов со слоя люминофора в современных преобразователях на его поверхность со стороны фотокатода наносят тонкий слой металла, например алюминия. Металлизация люминофора позволяет повысить яркость свечения, увеличивает стойкость люминофора и защищает фотока­тод от засветки со стороны экрана:

Разрешающая способность экрана, а следовательно, и самого ночного прицела зависит от зернистости экрана. Последняя опре­деляется структурой люминофора и технологией изготовления экрана. Разрешающая способность современных преобразователей составляет 25—40 штрихов на 1 мм изображения, при этом диа­метр зерен люминофора не превышает нескольких микрон.

Фокусирующая система улучшает качество изображе­ния на экране и повышает разрешающую способность ночного прицела. Достигается это следующим образом.

Под действием инфракрасных лучей с площади фотокатода эмитируются широкие пучки электронов, проходящие под различ­ными углами к оси симметрии преобразователя. Благодаря очень высокой разности потенциалов, приложенной между фотокатодом и экраном, электроны устремляются по направлению к экрану. В процессе движения электроны пучка дополнительно рассеи­ваются и создают нерезкое изображение на экране. Для устране­ния этого недостатка необходимо фокусировать электронные пучки.

Направление движения электронных пучков определяется ха­рактером изменения напряженности электрического поля или в конечном счете величиной приложенной разности потенциалов и конструкцией электродов электронной фокусирующей системы.

формирующей электрическое поле. Для построения электрической электронно-оптической системы, действующей на электроны анало­гично действию оптической системы на световые лучи, необходимо, чтобы разность потенциалов- в этой системе изменялась так же, как показатель преломления в оптической системе. Создать такую систему не представляет особого труда.

В преобразователях с электростатической фокусировкой, нахо­дящих в настоящее время наиболее широкое применение, для воз­действия на пучки электронов и получения высококачественного электронно-оптического изображения применяются такие фокуси­рующие системы, электроды которых размещаются за пределами хода электронных лучей. На пути последних находится лишь соз­данное ими электростатическое поле с непрерывным и плавным изменением потенциала и напряженности. Электроды в сложных системах устанавливаются между фотокатодом и экраном так, что потенциал электродов равен потенциалу экрана или имеет проме­жуточное значение между потенциалами фотокатода и экрана. Электростатические поля делаются симметричными относительно оптической оси преобразователя, для чего формирующие их элек­троды берутся в виде тел вращения, например в виде круглых диафрагм, цилиндров, усеченных конусов и т. п. Эти поля сохра­няют в процессе работы преобразователя постоянное, заранее от­регулированное значение, причем стабильность их параметров является необходимым условием для получения на экране изобра­жения высокого качества.

В современных электронно-оптических преобразователях фо­кусирующая система наряду с фокусировкой электронных пучков оборачивает изображение на экране А'В' по сравнению с положе­нием изображения на фотокатоде АВ. Благодаря этому в опти­ческой схеме ночного прицела не применяют дополнительных обо­рачивающих систем.

Электронно-оптический преобразователь в целом можно рас­сматривать как электронную линзу, которая преобразует невиди­мое изображение в видимое и оборачивает его.

Местность и находящиеся на ней предметы даже в самую темную ночь освещаются слабым рассеянным светом Солнца и звезд. Однако отраженные от них и падающие в глаза лучи на­столько слабы, что в обычных условиях мы не в состоянии ви­деть их.

Для наблюдения за полем боя, отыскания и изучения целей, ведения огня прямой наводкой в темное время суток и созданы ночные прицелы.

Принципиальная схема ночного прицела (рис. 16.19) состоит из собственно электронно-оптического прицела (визира) 11 и низ­ковольтного 1 и высоковольтного 2 источников питания. При не­обходимости подсветки целей инфракрасными лучами в качестве искусственного источника излучения может быть использован инфракрасный прожектор.

Основными конструктивными элементами электронно-оптиче­ского прицела являются корпус с элементами крепления прицела на орудии, телескопическая оптическая система, состоящая из объектива и окуляра, электронно-оптический преобразователь, коллимационная система для ввода изображения сетки в поле зре­ния прицела, механизмы углов прицеливания и выверки прицела по дальности и направлению стрельбы, механизмы защиты элек-

Рис. 16.19. Принципиальная схема ночного прицела: /—первичный (низковольтный) источник постоянного тока; 2 — высоковольтный преобразо­ватель; 3 — лучи подсветки целей; 4 — цель; 5 — невидимые лучи, отраженные от цели или излучаемые целью; б — объектив; 7 — фотокатод; 8 — фокусирующая система; 9 — электрон­но-оптический преобразователь; 10 — экран; //—электронно-оптический прицел (визир);

12 — окуляр

тронно-оптического преобразователя от засветки пламенем соб­ственного выстрела, трассера снаряда и посторонним источником света, а также различные вспомогательные элементы.

Первичным источником постоянного тока низкого напряже­ния 1, используемого для питания прицела, служат аккумулятор­ные батареи. Первичное напряжение подается на вход высоко­вольтного источника 2, который преобразовывает его в высокое напряжение постоянного тока, создающее необходимую разность потенциалов на электродах электронно-оптического преобразова­теля, достигающую 18 кВ и более.

Работа электронно-оптического прицела заключается в следую­щем. Лучи 5 от объектов наблюдения 4 попадают на объектив 6 прибора, в результате чего на поверхности фотокатода 7 создается действительное, уменьшенное, перевернутое и невидимое для невооруженного глаза изображение этих объектов.

С участков поверхности фотокатода, на которые упали невиди­мые глазу лучи, выбиваются электроны. Поверхностная плотность электронного потока, т. е. количество электронов, выбиваемых с единицы площади изображения в единицу времени, пропорцио-

нальна распределению интенсивности падающего на фотокатод

пучка лучей.

Под действием приложенной разности потенциалов электроны устремляются через отверстия в электродах фокусирующей си­стемы 8 к экрану 10. При движении от фотокатода к экрану пучки электронов сохраняют распределение интенсивн'ости в поперечном сечении, тем самым как бы перенося «электронное изображение» на экран, одновременно оборачивая его.

Под действием высокой разности потенциалов между фотока­тодом и экраном электроны приобретают большую кинетическую энергию и, ударяя в экран, создают на нем яркое изображение наблюдаемого объекта. При этом распределение яркости свечения по площади экрана пропорционально распределению электронов в поперечном сечении электронного пучка, что обеспечивает полу­чение на экране видимого изображения, подобного по форме и распределению яркости картине, созданной объективом па фото­катоде.

Изображение, полученное на экране, рассматривается в увели­ченном виде с помощью окуляра 12. Особенностью изображения является его одноцветность, а также отличие яркостного контраста от реальной картины. Эта особенность может быть использована для демаскировки целей, но требует специальной тренировки на­блюдателей.

Увеличение яркости изображения на экране позволяет наблю­дать объекты при значительно меньших потоках лучистой энер­гии, падающей на фотокатод, и тем самым увеличивает дальность видимости ночных прицелов. Эффективным способом увеличения яркости изображения является последовательное каскадное соеди­нение электронно-оптических преобразователей. Перспективным является применение многокамерных преобразователей с контакт­ным соединением экрана предыдущей камеры с фотокатодом по­следующей путем нанесения их по обе стороны тонкой прозрачной пластинки. Это позволяет уменьшить потери световой энергии. При этом в первой камере устанавливают многощелочной фотокатод, а в последующих — сурьмяно-цезиевые. Эмиссия электронов с по­следующего фотокатода более интенсивна, чем с предыдущего, поэтому свечение экрана каждой последующей камеры будет бо­лее ярким. Для получения прямого изображения объектов преоб­разователь должен иметь нечетное число камер, что влечет за со­бой увеличение длины преобразователя, а значит, габаритов и веса всего прицела.

Механизм углов прицеливания позволяет устанавливать угол прицеливания в соответствии с дальностью прямого выстрела. При этом сетка с нанесенными на ней дистанционными шкалами проектируется в поле зрения прицела либо располагается в поле ³Рения прицела и с помощью маховичка углов прицеливания мо­жет перемещаться в вертикальной плоскости. Простейший при­цельный знак обычно наносится на экране преобразователя и пе­ремещается путем покачивания самого преобразователя.

Механизмы выверки прицела по дальности и направлению слу­жат для проверки нулевой линии прицеливания и по устройству и действию аналогичны подобным механизмам оптических прице­лов прямой наводки.

Механизмы защиты фотокатода электронно-оптического преоб­разователя имеют разнообразную конструкцию и принцип дей­ствия и предохраняют фотокатод от попадания на него мощного светового потока.