Моделирование зарядовых явлений в САПР вторично-эмиссионных умножителей

УДК 621.383.8

МОДЕЛИРОВАНИЕ ЗАРЯДОВЫХ ЯВЛЕНИЙ В САПР ВТОРИЧНО-ЭМИССИОННЫХ УМНОЖИТЕЛЕЙ

И.Н. Гончаров

В статье рассматриваются некоторые вопросы теории развития процессов токового насыщения в каналах вторично-электронных умножителей на примере микроканальных пластин (МКП), которые следует учитывать при разработке соответствующих средств САПР

Ключевые слова: вторичная электронная

математическая модель, усилительная способность

Микроканальные пластины (МКП), одни из представителей вторично-электронных канальных умножителей являются

компактными вакуумными усилителями пространственно-распределенных потоков частиц и излучений. Конструкция МКП представляет собой диск из свинцовосиликатного стекла и состоит из спеченного вместе множества (700-1000шт.) идентичных микроканальных сот, каждая из которых в свою очередь включает до 5000-6000шт. регулярно уложенных и спеченных вместе идентичных миниатюрных трубчатых каналов диаметром от 5 до 10мкм в зависимости от разновидности МКП [1].

При приложении напряжения к металлизированным торцам пластины в процессе её эксплуатации по стенкам каждого из каналов структуры течёт ток проводимости, создающий в них однородное электрическое поле с линейно возрастающим потенциалом. Таким образом, все каналы превращаются в идентичные вторично-эмиссионные усилители. Первичный фотоэлектрон, несущий

информацию об объекте, испущенный фотокатодом изделия применения, например электронно-оптическим преобразователем (ЭОП), испытывает у входа в канал первое соударение и генерирует определенное количество вторичных электронов характерное для восстановленного свинцово-силикатного стекла. Далее вторичные электроны под влиянием ускоряющего электрического поля канала движутся в сторону его выхода, многократно бомбардируя стенки и выбивая

Гончаров Игорь Николаевич - СКГМИ (ГТУ), канд. техн. наук, доцент, тел. 89188219247

эмиссия, электрическое поле, поведение электронов,

новые вторичные электроны. Таким образом по каналу проходит размножающаяся электронная лавина. Общий коэффициент усиления сигнала на выходе МКП может достигать 10000.

Зарядовые явления и токовое насыщение в частности, возникающие при лавинообразном нарастании электронного потока в канале при определённых условиях эксплуатации вторично-эмиссионных умножителей, могут привести к существенному ограничению их усилительной способности. Процесс токового насыщения обусловлен тем, что при выходе из канала большой группы электронов, несущих определённый отрицательный заряд,

характеризуемый их количеством, аналогичный по величине положительный заряд остаётся на эмитирующих стенках канала. Очевидно, что нейтрализация данного заряда может происходить только за счёт тока проводимости канала 1п, который можно определить из выражения:

^иМКП^ю

где Як - продольное сопротивление единичного

канала, Ом.

Поскольку типичное сопротивление

всей микроканальной пластины Я«1.5-1080м, то с учётом числа каналов, содержащихся к примеру в МКП 18-10 в количестве порядка п«3-106 штук, можно рассчитать значение Як из уравнения:

Як=Яи,

Тогда Як=4.5-10140м, 1п=1.7810-12А

(при иМКП=800 В).

Видно, что ток проводимости канала весьма мал, при этом величина заряда, если коэффициент усиления М«3.5-103, составляет:

д=еМ=1.6-10-19-3.5-103=5.5-10-16Кл.

Определив значения 1п и д, можно в первом приближении найти время нейтрализации заряда на стенке током

проводимости, которое определяется их отношением и в рассматриваемом случае соответственно равно 1;н=3Л5-10-4 секунд.

Присутствующий на стенке канала поверхностный заряд до момента его

нейтрализации искажает распределение электрического поля в канале, что отражается на условиях прохождения электронов и приводит к видоизменению их траекторий, уменьшению энергии взаимодействия с

эмиссионной поверхностью и, как следствие, к изменению (снижению) вторично-эмиссионной эффективности о. Очевидно, что данные явления в наибольшей степени характерны для выходной части каналов, где усиление сигнала максимально.

Известно, что для предотвращения процесса токового насыщения необходимо, чтобы частота влёта электронов в канал была бы меньше, чем значение 1Лн. Частота влёта электронов прямопропорционально зависит от величины входного тока 1вх. Значение 1н в значительной степени определяется

сопротивлением канала и его ёмкостью. Чем они меньше тем меньше 1;н и шире диапазон

линейного усиления канала.

Известно установленное опытным путем условие перехода МКП в режим токового насыщения, определяемое отношением выходного тока канала 1вых к его току

проводимости 1п. Его можно представить следующим образом:

В=

В соответствии с данным условием, контролируя значение тока электронной лавины, при её прохождении вдоль канала, в особенности в его выходной части, можно определять момент начала проявления зарядовых процессов на стенках, приводящих к нарушению линейного нарастания ускоряющего потенциала в канале. При разработке средств САПР многоканальных умножителей алгоритм расчёта процессов умножения электронов в канале в линейном режиме для учёта процессов токового насыщения необходимо дополнить блоком определения момента начала

проявления данного эффекта, а также блоками перераспределения потенциала в

соответствующей части канала и пересчёта картины формируемого электрического поля.

Координату, соответствующую участку канала, на котором начинает проявляться рассматриваемый эффект, следует определять согласно условию (3). Значение 1п

рассчитывается в соответствии с задаваемыми величинами ИмкП и К-.

Далее остановимся на определении значения 1вых, т.е. усиленного тока внутри

канала. Его легко установить из выражения:

1вых=М1вх.

При машинном анализе процессов умножения электронов в канале достигаемое значение усиления сигнала М можно контролировать в любых заданных областях на протяжении всего канала. Очевидно, что наиболее целесообразно производить данные операции в его конечной части, где усиление максимально.

Величину входного тока МКП 1вх в

условиях её работы в ЭОП следует определять из уравнения:

!вх=фЕ8,

где ф - интегральная чувствительность фотокатода ЭОП, мкА/лм;

Е - рабочая освещённость, лк;

8 - полезная площадь фотокатода, м2.

Для оценки значения I

вх

МКП

зададимся начальными условиями. Пусть: ф=500 мкА/лм, Е=5-10-4лк, 8=2.7см2. Тогда 1вх=6.75-10-11А.

Микроканальная вставка МКП 18-10

содержит п«3 •106 каналов, а коэффициент прозрачности данной пластины ю«0.58. Известно, что до 50% электронов сигнала, провзаимодействовавших с входной торцевой поверхностью МКП, всё равно проникает в каналы. С учётом перечисленных сведений можно рассчитать среднее значение входного тока одного канала из следующего выражения:

1вх 1=

Для рассматриваемого случая 1вх1=1.78-10-17А.

Далее следует определить значение М, при достижении которого с учётом заданных 1вх1 и 1п канал перейдёт в нелинейный режим

усиления, воспользовавшись следующим выражением:

М=0.05-1пЛвх1.

В данном случае согласно (7) М=0.05 1.78 10-12/1.78 10-17=5 103.

В заключение следует отметить, что представленные выражения позволят дополнить математические модели распределения электрического поля в каналах МКП и поведения первичных и вторичных электронов в них для получения возможности определения степени влияния зарядовых явлений на процесс размножения электронной лавины.

Проведённый машинный анализ показал, что

для случаев с 1вх=10-10А и 1вх=10-9А переход в

нелинейный режим усиления под влиянием процессов токового насыщения наступает при иМКП~700В и иМКП~640В соответственно.

Темпы спада усиления для случая с 1вх=10-9А выше, при максимальных ИмкП расчётные значения М соответственно составляют 5.6-103 и 9102.

Литература

1. Тарасов В.В., Якушенков Ю.Г. Инфракрасные системы «смотрящего» типа. - М.: Логос, 2004.- 440 с.

Северо-Кавказский горно-металлургический институт (государственный технологический

университет)

MODELLIN OF THE CHARGE PHENOMENON IN THE SISTEM OF AUTOMATIC PROJECTION OF SECONDARY-EMISSION AMPLIFIERS

I. N. Goncharov

Describing any questions of the theory development process of current saturation in the channels of secondary-electronic multipliers, microchannel plates (MCP). This information may be to use in the models of the sistem automatic projection of MCP

Key words: secondary-electronic emission, electrical field, behaviour of electrons, mathematical model